鋅空電池憑借著能量密度大、成本低、安全性能好和環(huán)境友好等特點備受研究者的關(guān)注。鋅空電池在充放電的過程中，氧電極發(fā)生氧還原反應(yīng)和氧析出反應(yīng)。由于氧還原反應(yīng)和氧析出反應(yīng)動力學(xué)過程極其緩慢，故而需要使用高效且穩(wěn)定的電催化劑，以提高鋅空電池的性能。貴金屬電催化劑具有良好的氧還原反應(yīng)和氧析出反應(yīng)性能，但因其儲量稀缺、價格昂貴且穩(wěn)定性較差，難以滿足商業(yè)化應(yīng)用需求。因此，開發(fā)廉價、高效且穩(wěn)定的非貴金屬氧電極催化劑對鋅空電池的實用化推廣至關(guān)重要。
近日，昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院李金成副教授以通訊作者聯(lián)合香港科技大學(xué)、中科院金屬所、美國華盛頓州立大學(xué)等多家單位，在鋅空電池氧電極催化劑方面取得系列重要研究成果：
（1）利用石墨烯與酞菁鐵分子之間的π–π耦合作用，將含有單原子Fe-N4團簇（氧還原反應(yīng)活性位點）的酞菁鐵分子固定在負(fù)載NiFe2O4納米顆粒（氧析出反應(yīng)活性部分）的石墨烯上，獲得了優(yōu)異的氧電極催化性能和鋅空電池性能，功率達(dá)185 mW cm-2，1035次循環(huán)充放電性能無衰減。相關(guān)成果以“Bifunctional oxygen electrocatalysts enriched with single Fe atoms and NiFe2O4nanoparticles for rechargeable zinc–air batteries”為題發(fā)表在Energy Storage Materials（IF=20.831）上，昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院碩士生胡昊為論文第一作者。論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829722005955
（2）采用有機金屬框架嫁接-衍生技術(shù)，在三維柔性多孔碳微米管海綿基底上制備富含F(xiàn)e-N5單原子位點的催化劑薄層，提高了Fe-N5原子位點的利用率。實驗和理論結(jié)果揭示了Fe-N5位點具有比Fe-N4位點更高氧還原反應(yīng)活性。此外，通過半電池和全電池測試，證實了制備的單原子催化劑一體化電極的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。相關(guān)成果以“Bulk preparation of free-standing single-iron-atom catalysts directly as the air electrodes for high-performance zinc-air batteries”為題發(fā)表在Carbon Energy（IF=21.556）上，昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院碩士生張洪博為論文第一作者。論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.289
（3）以碳納米管為橋梁，其管壁上的摻雜氮原子橋接酞菁鐵分子（形成氧還原反應(yīng)Fe-N5活性位點），橋接的碳顆粒擔(dān)載NiCo納米顆粒（原位拉曼揭示納米顆粒會原位轉(zhuǎn)化為氫氧化物，即氧析出反應(yīng)的真正活性物質(zhì)）。該催化劑表現(xiàn)出超高的氧電極活性（ΔE=0.686 V），鋅空電池輸出性能（功率為219.5 mW cm-2）和循環(huán)穩(wěn)定性能（700多次循環(huán)充放電性能無衰減）。相關(guān)成果以“Carbon-nanotube-bridging strategy for integrating single Fe atoms and NiCo nanoparticles in a bifunctional oxygen electrocatalyst toward high-efficiency and long-life rechargeable zinc–air batteries”為題發(fā)表在Advanced Energy Materials（IF=29.698）上，昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院碩士生何林為論文共同第一作者。論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202202984
以上研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、云南省自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金、遼寧省振興人才、深圳市科技創(chuàng)新、昆明理工大學(xué)高層次人才建設(shè)等項目的資助。
