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析氧反應(yīng) (OER) 和氧還原反應(yīng) (ORR) 是構(gòu)筑可充放電鋅-空氣電池的兩個(gè)至關(guān)重要的化學(xué)反應(yīng)過程。目前，的析氧以及氧還原催化劑都是貴金屬催化劑 (Pt/C 或者 IrO2)，但是其價(jià)格昂貴以及穩(wěn)定性差嚴(yán)重影響了其實(shí)際應(yīng)用。因此，開發(fā)成本低、催化活性高以及穩(wěn)定性好的電催化劑材料成為研究重點(diǎn)。提高催化劑活性的策略包括：1. 增加材料本身的反應(yīng)活性;2. 增加材料的反應(yīng)活性位點(diǎn)�；�于以上因素，將反應(yīng)活性位點(diǎn)分散于高比表面積的多孔材料表面是提高催化劑活性的有效途徑。的電催化劑將促進(jìn)鋅-空氣電池的開發(fā)。其次，電池在使用過程中不可避免會(huì)遇到撞擊，如果電池可壓縮，會(huì)極大的減小撞擊過程中電池的損壞。近，香港城市大學(xué)的支春義老師課題組在ACS nano上(影響因子：13.9)發(fā)表了一篇題為“Single-SiteActive Iron-Based Bifunctional Oxygen Catalyst for a Compressible andRegeable Zinc–Air Battery”的文章。設(shè)計(jì)合成了一種單點(diǎn)分散的Fe-N-C催化活性位點(diǎn)于氮摻雜多孔碳中的電催化劑以及可壓縮聚丙烯酰胺水凝膠 (PAM)電解質(zhì)，并將此電催化劑以及可壓縮水凝膠電解質(zhì)用于可壓縮鋅-空氣電池，其表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能以及電化學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，將Fe離子用2,2-Bipy絡(luò)合，并將其嵌入金屬有機(jī)框架材料(ZIF-8) 中，通過高溫煅燒可得到Fe-N-C 活性位點(diǎn)以單點(diǎn)形式分散于多孔碳中，其具有優(yōu)異的催化活性(半波電位:0.86 V for ORR, 390 mV過電位for OER)。其次，將此催化劑以及PAM可壓縮水凝膠應(yīng)用于固態(tài)鋅-空氣電池，在275倍電池重量壓力下(54%壓縮量)條件下，鋅空氣電池依然有116.7 mW/cm^2的輸出功率，并且可以保持98.93%的電化學(xué)性能。

圖1. (a) 單點(diǎn)分散的Fe-N-C/PNC的合成示意圖，(b) 可壓縮PAM水凝膠結(jié)構(gòu)以及(c)可壓縮鋅-空氣電池結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2.(a)Fe-N-C/PNC的SEM圖像，(b-e)TEM和HR-TEM圖，(f) HAADF-STEM圖(i)O，F(xiàn)e，C和N的元素mapping。

圖3. Fe-N-C/PNC電催化劑的電化學(xué)性能：(a)CV曲線，(b)LSV曲線在1600 rpm旋轉(zhuǎn)速度條件下，(c)RRDE性能，(d, e)OER 性能，(e)雙功能特性表征。

圖4. (a, b) PAM水凝膠結(jié)構(gòu)表征，(c) 可壓縮鋅-空氣電池結(jié)構(gòu)表征，(d-h) 可壓縮鋅-空氣電池電化學(xué)性能。

催化劑以及可壓縮鋅-空氣電池表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械以及電化學(xué)性能的原因：

Fe-N-C 活性本身有很好的電催化活性;

源于生長在石墨烯表面的ZIF-8的二維多孔碳有很大的比表面積(大于1200 m^2/g)以及良好的導(dǎo)電性，將Fe-N-C活性位點(diǎn)分散于其表面，同時(shí)滿足了高催化活性位點(diǎn)以及大量活性位點(diǎn)的條件，極大的提高了催化劑的催化活性;

PAM水凝膠電解質(zhì)具有良好的壓縮機(jī)械性能以及大的孔隙率，良好的壓縮機(jī)械性能為鋅-空電池提供了優(yōu)異的機(jī)械性能，同時(shí)大的孔隙率有利于電解質(zhì)離子傳輸，為鋅-空電池提高了優(yōu)異的電化學(xué)性能。

因此，單點(diǎn)分散的Fe-N-C催化劑以及可壓縮PAM水凝膠基鋅-空氣電池同時(shí)具有良好的機(jī)械以及電化學(xué)性能。

參考文獻(xiàn):

Longtao Ma, Shengmei Chen, Zengxia Pei, Yan Huang, Guojin Liang, Funian Mo, Qi Yang, Jun Su, Yihua Gao, Juan Antonio Zapien, and Chunyi Zhi, Single-Site Active Iron-Based Bifunctional Oxygen Catalyst for a Compressible and Regeable Zinc–Air Battery, ACS Nano, 2018, 12 (2), 1949–1958, DOI:10.1021/acsnano.7b09064.

原標(biāo)題:單點(diǎn)分散的Fe-N-C催化劑用于可壓縮和可充電的鋅空氣電池