【研究背景】

為實(shí)現(xiàn)碳中和和零碳排放目標(biāo)，發(fā)展清潔和可再生能源技術(shù)意義重大?？沙潆婁\-空氣電池具有安全性高、零碳排放、理論能量密度高（1086 Wh kg-1）等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前途的電化學(xué)能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換器件之一。然而，緩慢的ORR和OER動(dòng)力學(xué)造成了鋅-空氣電池充-放電電壓極化現(xiàn)象嚴(yán)重，從而限制了其規(guī)模化應(yīng)用。已商業(yè)化的Pt、Ru、Ir等貴金屬基催化劑被視為ORR或者OER的基準(zhǔn)的催化劑，但高昂的成本、單一功能性，以及有限的催化活性和穩(wěn)定性使其仍難以滿足鋅-空氣電池大規(guī)?；瘧?yīng)用的要求。因此，發(fā)展新型且價(jià)格低廉、催化性能優(yōu)異的多功能電催化劑迫在眉睫。

【文章簡(jiǎn)介】

近日，南方科技大學(xué)徐強(qiáng)教授和肖欣研究助理教授，在國際知名期刊Advanced Functional Materials上發(fā)表題為“Spatially Immobilized PtPdFeCoNi as an Excellent Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Zinc-Air Battery”的研究論文。該研究文章提出了通過超快速焦耳加熱工藝將高度分散的超細(xì)PtPdFeCoNi高熵合金納米顆粒和隨機(jī)分布的金屬單原子固定在3D分級(jí)有序多孔氮摻雜碳骨架上的方法，所制備的高熵合金催化劑在可充電鋅-空氣電池中具有優(yōu)異的性能。

圖1. PtPdFeCoNi/HOPNC的制備示意圖

圖2. PtPdFeCoNi/HOPNC的結(jié)構(gòu)表征圖

圖3. 催化劑的電化學(xué)性能表征圖

圖4. 催化劑的電化學(xué)性能表征圖

圖5. 組裝的鋅空氣電池的性能圖

【本文要點(diǎn)】

要點(diǎn)一：3D分級(jí)有序多孔氮摻雜碳骨架的構(gòu)建有利于超細(xì)高熵合金顆粒和多金屬單原子的均勻負(fù)載

構(gòu)建的3D分級(jí)有序多孔氮摻雜碳骨架具有豐富的外表面和內(nèi)表面，有利于超細(xì)PtPdFeCoNi高熵合金顆粒和多金屬單原子的負(fù)載。同時(shí)，碳骨架中的氮位點(diǎn)對(duì)金屬物種起到了顯著的錨定作用，促成了金屬單原子的形成和均勻分布。得益于多種活性位點(diǎn)的充分暴露，所合成的PtPdFeCoNi/HOPNC對(duì)ORR/OER具有優(yōu)異的雙功能催化性能。

要點(diǎn)二：微孔-介孔-大孔互聯(lián)通道加快了傳質(zhì)過程

構(gòu)建的3D分級(jí)有序多孔氮摻雜碳骨架中的微孔、介孔和大孔可以互聯(lián)互通，促進(jìn)了ORR和OER過程中物質(zhì)的傳輸，具有了較低的ORR和OER塔菲爾斜率，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程。

要點(diǎn)三：PtPdFeCoNi/HOPNC具有優(yōu)異的雙功能電催化活性

PtPdFeCoNi/HOPNC催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的雙功能電催化活性，具有較正的ORR半波電位（0.866 V vs. RHE）和較低的OER過電位（310 mV @ 10 mA cm-2）。將PtPdFeCoNi/HOPNC作為陰極催化劑組裝的準(zhǔn)固態(tài)鋅-空氣電池顯示出233.94 mW cm-2的高功率密度、優(yōu)異的倍率性能、低充-放電電壓極化，在10 mA cm-2的充-放電電流密度下具有165 h的長(zhǎng)循環(huán)壽命，超過了商用Pt/C-RuO2混合物。

【文章鏈接】

Spatially Immobilized PtPdFeCoNi as an Excellent Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Zinc-Air Battery

https://doi.org/10.1002/adfm.202414537

【通訊作者簡(jiǎn)介】

肖欣簡(jiǎn)介：南方科技大學(xué)研究助理教授，主要從事高效納米功能材料的制備、電催化應(yīng)用及構(gòu)效關(guān)系的探究。共發(fā)表SCI論文50余篇，其中以第一作者及共同通訊作者的身份在Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Sci.、Chem、ACS Nano、Appl. Catal. B Environ.、Coord. Chem. Rev.等高水平期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文18篇。

徐強(qiáng)簡(jiǎn)介：南方科技大學(xué)講席教授，日本工程院院士，印度國家科學(xué)院院士，歐洲科學(xué)院院士。曾先后任日本國立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）首席研究員，AIST-京都大學(xué)能源化學(xué)材料開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室主任，神戶大學(xué)、京都大學(xué)教授（兼）。2014-2023年連續(xù)入選湯森路透-科睿唯安全球高被引學(xué)者，曾獲湯森路透研究前沿獎(jiǎng)、洪堡研究獎(jiǎng)，市村地球環(huán)境學(xué)術(shù)獎(jiǎng)及配位化學(xué)會(huì)獎(jiǎng)等。擔(dān)任《EnergyChem》主編，《Coord. Chem. Rev.》副主編，《Chem》、《Matter》、《Adv. Energy Mater.》、《Chem. Asian J. 》等期刊編委。目前主要致力于金屬有機(jī)框架及衍生物等材料的可控制備及其在催化、能源及環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用。

【課題組招聘】

根據(jù)課題組發(fā)展需求，課題組長(zhǎng)期招聘光/電催化、傳感、電池、理論計(jì)算以及電鏡表征方向的博士后，應(yīng)聘者請(qǐng)將材料發(fā)至：xuq@sustech.edu.cn。

【核心儀器】

本文在制備高熵合金納米顆粒和金屬單原子催化劑過程中使用的焦耳加熱裝置型號(hào)為JH3.3-P（合肥原位科技有限公司）。

焦耳加熱裝置是一種新型快速熱處理/合成的設(shè)備，該設(shè)備可使材料在極短（毫秒級(jí)/秒級(jí)）時(shí)間內(nèi)達(dá)到極高的溫度（1000~3000℃），升溫速率最快可達(dá)到10000k/s；通過對(duì)材料的極速升溫，可考察材料在極端環(huán)境、劇烈熱震情況下的物性改變，可通過極速升降溫制備納米尺度顆粒，單原子催化劑，高熵合金等。目前廣泛應(yīng)用在電池材料、催化劑、碳材料、陶瓷材料、金屬材料、塑料降解、生物質(zhì)等領(lǐng)域。