赵东元院士/李伟教授/王飞研究员：介孔单原子催化材料助力高效两电子中性锌空电池

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近日（2月26日），复旦大学化学系赵东元院士/李伟教授团队和材料科学系王飞研究员合作在Nature Sustainability（《自然˙可持续发展》）以长文形式发表了题为“Two-electron redox chemistry via single-atom catalyst for reversible zinc–air batteries（《单原子催化材料用于两电子可逆锌空气电池》）”的研究成果，首次揭示了两电子中性锌空气电池催化材料的设计原则，构筑了可持续、低成本、高性能的电化学储能器件，助力我国“双碳”战略。本文第一作者为复旦大学张威副研究员、王楠博士和内蒙古大学张江威研究员，李伟教授/王飞研究员为本文通讯作者。
       锌空气电池作为金属空气电池中技术最成熟的一种，具有能量密度高（1086 Wh Kgzn-1）、成本低、安全性高的优点，被广泛认为是下一代储能系统的有力备选。自1840年Smee首次提出锌空气电池的概念，其已经有了近200年的发展历史。目前，碱性锌空气电池已经实现了在助听器、交通信号灯等领域的商业化应用，并曾在电动汽车领域进行试点应用。然而此类电池通常使用高浓度氢氧化钾溶液作为电解液，导致了一系列问题：碱性电解液中，空气正极的氧还原反应为氢氧根参与的4电子反应，其动力学较差，需要昂贵的铂碳催化剂来加速此过程；高浓度的氢氧根会钝化锌负极、产生枝晶、腐蚀电池组件，同时会与空气中的二氧化碳反应阻塞正极。这些问题使得碱性锌空气电池可逆性较差，无法在开放环境中稳定工作，制约了其规模化应用。
        鉴于此，2021年初，《Science》杂志报道了一种基于中性电解液的全新锌空气电池体系，其空气电极一侧发生的是过氧化锌可逆生成的两电子反应。与传统碱性锌空气电池相比（图1），新型中性两电子锌空气电池具有以下优势：1、锌负极利用率高；2、正极可逆性好，电池循环稳定性强；3、副反应少，电池可在空气中稳定运行。然而，中性锌空气电池工况环境复杂，气（空气）-液（电解液）-固（过氧化锌）三相都参与氧还原反应，导致反应动力学差。此外，充放电过程中生成的不导电固态放电产物（过氧化锌）的积聚会导致催化材料上活性位点的覆盖和传质通道的堵塞，进一步造成器件性能的恶化。因此亟需开发高效的催化材料助力高性能中性锌空气电池的开发。

图1：新型中性锌空气电池和传统碱性锌空气电池的反应机制和优劣对比

       为了解决上述问题，团队发展了一种循序合成的策略，制备了一种二维介孔碳载单原子催化材料。此材料具有高度暴露的不对称FeN2S2位点，可以高选择性的催化两电子氧还原反应。其次，高度石墨化二维介孔碳骨架可以高效的促进反应过程中物质（氧气、电解液等）和电荷的传输扩散。更重要的是，介孔孔道可以作为纳米反应器，将固态放电产物（过氧化锌）的尺寸限域到纳米尺度（~6 nm），确保其在充放电过程中可以可逆的溶解和生成，提升循环稳定性。因此，使用此材料组装的两电子中性锌空气电池表现出创纪录的放电电压（~1.20 V）和超高的循环稳定性（~400 h），甚至可以与传统碱性锌空气电池相媲美。进一步结合同步辐射吸收谱学分析、精细结构表征与理论计算技术，团队解析了活性中心及催化动态过程，阐明了催化材料各组分的协同增效原理，揭示了催化反应机制，建立了构效关系，为高性能催化材料的创制提供了参考。
      该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委员会、上海市科学技术委员会、复旦大学、复旦大学化学系、材料科学系、先进材料实验室和上海市分子催化和功能材料重点实验室的大力支持。
      全文链接：https://doi.org/10.1038/s41893-024-01300-2
      文章来源：复旦大学
         赵东元,复旦大学教授，1963 年出生于沈阳市。1980年考入吉林大学化学系，1984年获得理学学士学位，1987年获吉林大学化学系理学硕士学位。1990年获吉林大学和大连化学物理研究所物理化学专业理学博士学位。1993 ~ 1994年在以色列魏兹曼科学院化学物理系做博士后。1995 ~ 1996年在美国休斯顿大学化学系做博士后。1996 ~ 1998年在美国加州大学圣芭芭拉分校材料系和化学系做博士后。1998年12月复旦大学教授；2000年入选教育部长江“特聘教授”，2007年被增选为中科院院士。2010年被增选为第三世界科学院（TWAS）院士。
         李晓民，复旦大学青年研究员。2008年、2011年从河南大学分别获得学士和硕士学位，2014年获得复旦大学博士学位。无机半导体量子点、上转换荧光纳米晶以及无机纳米材料功能化的介孔材料合成及应用研究。在化学、材料类权威期刊上共发表SCI论文70余篇。