Fe簇配位的单原子Fe-N-C空心纳米片作为稳定Zn-air/碘化物混合电池的双功能催化剂

《Advanced Sustainable Systems》：Fe Clusters Liganded Single-Atom Fe-N-C Hollow Nanosheets as Bifunctional Catalysts for Stable Zn─air/Iodide Hybrid Batteries

氧还原反应与碘氧化反应协同的非贵金属催化剂设计及其在锌空气电池中的应用，通过ZIF相变法制备Fenc/Fe1-N-C复合碳材料，优化了电子结构和反应中间体吸附能，实现低过电位氧析出替代，电压间隙仅0.51V，循环稳定性达450小时。

　　

摘要

单原子Fe-N-C（Fe₁-N-C）材料是碱性条件下先进的氧还原反应（ORR）催化剂，但其较差的氧演化反应（OER）性能严重限制了它们在可充电锌-空气电池（ZABs）中的应用。本文通过ZIF相转换和随后的热解工艺，将超小Fe簇配位的Fe-N₄位点（Fe_nc/Fe₁-N-C）封装在掺氮碳纳米片中。Fe簇与周围Fe-N₄活性位点之间的协同作用可以共同调节电子结构，优化反应中间体的吸附能量。这种Fe_nc/Fe₁-N-C杂化催化剂不仅表现出优异的ORR性能，还在低电位碘化物氧化反应（IOR）中展现出显著的活性，从而替代高电位且具有破坏性的OER，提高了ZABs的能量效率和循环性能。结果，Fe_nc/Fe₁-N-C纳米片在可逆氢电极（RHE）下的半波电位为0.931 V时，表现出优异的ORR性能。在充电过程中结合IOR时，基于Fe_nc/Fe₁-N-C的混合电池表现出前所未有的充放电电压差（仅0.51 V），并能够实现长达450小时的超稳定循环。理论计算表明，Fe簇配体可以驱动Fe-N₄活性位点的Fe d_z²轨道的离域，从而优化中间体的解吸步骤，进而优化氧中间体的吸附能量。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。