目前可充電鋅空氣電池（ZABs）因其理論能量密度高、安全性和可持續(xù)性高而被認為是未來電動汽車最具前景的技術(shù)。然而，ZABs的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用仍然存在受到電催化劑性能的阻礙，尤其是在充放電過程中對氧還原反應(yīng) (ORR) 和析氧反應(yīng) (OER) 的過高過電位。開發(fā)高效、低成本且具有優(yōu)異電催化性能的雙功能電催化劑是非常必要的。
單原子催化劑（SACs），尤其是過渡金屬單原子催化劑（TM-SACs），由于其原子利用率極高，在堿性條件下表現(xiàn)出更好的ORR活性。然而，單金屬TM- SACs 對 OER 仍然不滿意，這是制備高效 ORR/OER 雙功能催化劑過程中的一個巨大挑戰(zhàn)。碳氣凝膠（CA）因其相互連接的孔隙率、高表面積、優(yōu)異的傳質(zhì)性能和高導(dǎo)電性而被廣泛接受，是負載活性位點的最佳載體材料之一。在這種情況下，由 CA（Fe-Ni ANC@CA）支持的 Fe-Ni ANCs 可以實現(xiàn)穩(wěn)定的 OER 活性，同時保持其作為 ZAB 的 ORR 和 OER 的雙功能電催化劑的 ORR 活性。
【摘要】
中國科學(xué)院上海高等研究院Zhengxing Lv、浙江大學(xué)田鶴研究員、山東大學(xué)張進濤/夏海兵教授團隊共同通過優(yōu)化熱解聚苯胺（PANI）氣凝膠，成功地制備了錨定在 N、S 共摻雜碳氣凝膠（Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑）上的 Fe-Ni 合金納米團簇（Fe-Ni ANCs）。通過在單寧酸 (TA)、Fe3 和 Ni2 離子的共存下聚合苯胺單體合成PANI 水凝膠，并進行冷凍干燥。合成 Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑的 TA、Fe3 和 Ni2 離子的最佳摩爾比為 1:2:5，可以保證二維多孔碳片，形成具有 2 至 2.8 nm 之間超小尺寸的高密度 Fe-Ni ANC。據(jù)作者所知，這些由 N4-Fe-O-Ni-N4 部分組成的 Fe-Ni ANCs 首次被提出作為一種新型活性物質(zhì)。由于其獨特的特性，F(xiàn)e-Ni ANC@NSCA 催化劑在半波電位 (E1/2) 為 0.891 V 的氧還原反應(yīng)和析氧反應(yīng) (260 mV @ 10 mA cm?2) 中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。堿性介質(zhì)作為雙功能催化劑，優(yōu)于最先進的商業(yè) Pt/C催化劑和 RuO2 催化劑。此外，與 Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑組裝的鋅-空氣電池在 5 mA cm-2下表現(xiàn)出卓越的性能和超過 500 小時的超高穩(wěn)定性。文章“Fe–Ni Alloy Nanoclusters Anchored on Carbon Aerogels as High-Efficiency Oxygen Electrocatalysts in Rechargeable Zn–Air Batteries”發(fā)表在期刊《Small》。
【主圖導(dǎo)讀】
示意圖1，具有均勻分布的 Fe-Ni 合金納米團簇（Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑）的 N、S 共摻雜碳氣凝膠的合成過程示意圖。a) 將苯胺單體、Fe 前體、Ni 前體和 TA 依次添加到水溶液中。b) 在 HCl 存在下添加 APS 并進一步冷凍干燥成 PANI 氣凝膠后，通過苯胺單體的聚合形成 PANI 聚合物的 3D 水凝膠。在 3D PANI 水凝膠中，PANI 鏈通過 TA-Fe3 配合物及其亞氨基相互連接，而 Ni2 離子主要摻雜 PANI 聚合物的亞氨基，并被 TA-Fe3 配合物在一定程度上隔開。 c）通過PANI水凝膠的熱解和后處理獲得鑲嵌有幾乎均勻分布的高密度Fe-Ni ANCs的Fe-Ni ANC@NSCA催化劑。
圖1，A,D) 低倍率和 B) 高倍率 TEM 圖像，C) Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑的高分辨率 TEM 圖像，E) 高分辨率 TEM 圖像和 F) 單個 Fe-的 HAADF-STEM-EDS 映射圖像。單個 Fe-Ni ANC 中元素 Ni（黃色）和 Fe（紅色）的分布。
圖5，A) 碳布、Fe NC@NSCA 催化劑、Ni NP@NSCA 催化劑、Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑和商業(yè)RuO2催化劑在 1M KOH 溶液中的 OER 極化曲線。B) Fe NC@NSCA 催化劑、Ni NP@NSCA 催化劑、Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑和商業(yè)RuO2催化劑的 Tafel 圖。C) Fe NC@NSCA 催化劑、Ni NP@NSCA 催化劑、Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑和商業(yè)RuO2催化劑在 260 mV 過電位下的 EIS 光譜。D) Fe NC@NSCA 催化劑、Ni NP@NSCA 催化劑、Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑和商業(yè)RuO2催化劑的 ECSA。E) Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑和商用 RuO2催化劑 12 小時的計時電流曲線以評估其耐久性。F）Fe-Ni ANC@NSCA催化劑在15000次循環(huán)前后的OER極化曲線。
圖7，A) 與 Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑組裝的 ZAB 的示意圖模型。B) 放電極化和功率密度曲線，C) 在 10 mA cm-2電流密度下測得的比容量，D) 充放電極化曲線，E) 5 mA cm-2電流密度下的長期循環(huán)性能， F) 不同電流密度下由 Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑或 Pt/C RuO2催化劑組裝的 ZAB 的恒電流放電圖。
參考文獻：doi.org/10.1002/smll.202102002
