近日，昆明理工大学化学工程学院李金成副教授和梅毅教授联合多家国内外单位，在能源领域顶级期刊《Energy & Environmental Science》上发表了题为“Thermal Evaporating-Trapping Strategy to Synthesize Flexible and Robust Oxygen Electrocatalysts for Rechargeable Zinc-Air Batteries”的研究论文。

锌空气电池具有价格低廉、安全性能好和能量密度高等优势，被认为是极具发展前景的新一代储能器件。ZABs性能主要受限于其空气电极上动力学缓慢的氧还原反应（ORR）与氧析出反应（OER）及其反应物/产物的扩散路径与电子传输效率。因此，研发低成本且高性能的多功能空气电极应用于锌空电池，备受科研工作者的关注。

在碳基底上锚定催化活性物质是研发空气电极催化剂最有效的方法。其中，碳载单原子Fe/Co-N_X团簇是一类最高效的非贵金属ORR催化剂，但其OER催化活性较低；碳载铁族双金属（CoFe，NiFe与NiCo）纳米颗粒是一类超高性能的非贵金属OER催化剂，但其ORR活性较低。因此，将单原子Fe/Co-N_X团簇与双金属纳米颗粒锚定在同一碳基底上，有望实现超高催化性能的双功能ORR/OER催化剂。柔性的碳纤维布作为一种典型的碳材料，具有高的比表面积、优异的导电性能及可修饰性能，可实现反应物/产物快速扩散及电子的快速转移，在电化学储能领域展现出巨大的应用前景。

基于此，本工作创新性地提出一种热驱动金属原子迁移-捕获策略，在柔性N掺杂碳纤维布基底上锚定单原子Fe/Co-N_X团簇与CoFe纳米颗粒，获得ORR/OER催化活性高、反应物/产物及电子输运快的多功能空气电极。该策略的原理在于：（1）在高温条件下，锚定在N掺杂碳纤维布基底上的双金属氧化物（CoFeO_x）纳米颗粒会使其中的金属-氧化学键断裂而溢出金属原子；（2）由于金属原子的溢出，故而CoFe纳米颗粒尺寸变小，电催化OER性能增强；（3）溢出的金属原子在随后的迁移过程中将会被氮掺杂碳基底所捕获，形成大量单原子Co/Fe-N_X团簇活性位点，从而提升ORR催化性能。因此，所得催化材料表现出优异的双功能氧催化活性（ΔE=0.542 V）。直接将所得一体化催化剂组装成液态和柔性固态锌空电池，分别获得了高达237.4 mW cm^-2和141.1 mW cm^-2的峰值功率密度，并在经过2300次循环充放电测试后电池性能基本无衰减。此外，利用原位变温XPS测试并结合球差校正TEM、同步光源XAS等表征技术，揭示了催化剂的合成机制。采用原位Raman光谱测试及DFT理论计算阐述了催化剂的催化机理。

催化剂的制备流程及结构表征

论文的第一作者为我院2020级硕士研究生张洪博，通讯作者为我院李金成副教授、材料科学与工程学院荣菊副教授、香港科技大学邵敏华教授和中国科学院金属研究所刘畅研究员。该研究工作得到了国家自然科学基金（52102046和52372049）、云南省优青（202301AW070016）、昆明理工大学启动基金及云南省磷化工节能与新材料重点实验室的资助。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d4ee03005b