锌空电池凭借着能量密度大、成本低、安全性能好和环境友好等特点备受研究者的关注。锌空电池在充放电的过程中，氧电极发生氧还原反应和氧析出反应。由于氧还原反应和氧析出反应动力学过程极其缓慢，故而需要使用高效且稳定的电催化剂，以提高锌空电池的性能。贵金属电催化剂具有良好的氧还原反应和氧析出反应性能，但因其储量稀缺、价格昂贵且稳定性较差，难以满足商业化应用需求。因此，开发廉价、高效且稳定的非贵金属氧电极催化剂对锌空电池的实用化推广至关重要。
近日，昆明理工大学化学工程学院李金成副教授以通讯作者联合香港科技大学、中科院金属所、美国华盛顿州立大学等多家单位，在锌空电池氧电极催化剂方面取得系列重要研究成果：
（1）利用石墨烯与酞菁铁分子之间的π–π耦合作用，将含有单原子Fe-N4团簇（氧还原反应活性位点）的酞菁铁分子固定在负载NiFe2O4纳米颗粒（氧析出反应活性部分）的石墨烯上，获得了优异的氧电极催化性能和锌空电池性能，功率达185 mW cm-2，1035次循环充放电性能无衰减。相关成果以“Bifunctional oxygen electrocatalysts enriched with single Fe atoms and NiFe2O4nanoparticles for rechargeable zinc–air batteries”为题发表在Energy Storage Materials（IF=20.831）上，昆明理工大学化学工程学院硕士生胡昊为论文第一作者。论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829722005955
（2）采用有机金属框架嫁接-衍生技术，在三维柔性多孔碳微米管海绵基底上制备富含Fe-N5单原子位点的催化剂薄层，提高了Fe-N5原子位点的利用率。实验和理论结果揭示了Fe-N5位点具有比Fe-N4位点更高氧还原反应活性。此外，通过半电池和全电池测试，证实了制备的单原子催化剂一体化电极的结构优势。相关成果以“Bulk preparation of free-standing single-iron-atom catalysts directly as the air electrodes for high-performance zinc-air batteries”为题发表在Carbon Energy（IF=21.556）上，昆明理工大学化学工程学院硕士生张洪博为论文第一作者。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.289
（3）以碳纳米管为桥梁，其管壁上的掺杂氮原子桥接酞菁铁分子（形成氧还原反应Fe-N5活性位点），桥接的碳颗粒担载NiCo纳米颗粒（原位拉曼揭示纳米颗粒会原位转化为氢氧化物，即氧析出反应的真正活性物质）。该催化剂表现出超高的氧电极活性（ΔE=0.686 V），锌空电池输出性能（功率为219.5 mW cm-2）和循环稳定性能（700多次循环充放电性能无衰减）。相关成果以“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”为题发表在Advanced Energy Materials（IF=29.698）上，昆明理工大学化学工程学院硕士生何林为论文共同第一作者。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202202984
以上研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、云南省自然科学基金、山东省自然科学基金、辽宁省振兴人才、深圳市科技创新、昆明理工大学高层次人才建设等项目的资助。
