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赵东元院士团队,最新Nature子刊!

时间:2026-02-11 16:43:27
赵东元院士团队,最新Nature子刊!
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复旦大学赵东元院士、李伟教授及王飞研究员团队在《Nature Sustainability》发表关于可充电锌-空气电池(ZABs)的最新研究成果,提出一种单原子催化剂设计,将缓慢的四电子氧还原反应转化为快速的两电子途径,显著提升了ZABs的性能。研究背景ZABs因低成本、高安全性和高能量密度,被视为应对能源需求和气候变化的理想选择。然而,传统碱性ZABs存在氧还原反应动力学缓慢、副反应多等问题,限制了实际应用。中性ZABs虽副作用少,但阴极反应动力学受限,需设计高效催化剂。催化剂设计结构创新:团队在介孔石墨烯上引入具有可接近的FeN?S?活性位点的单原子催化剂(meso-FeNSC),通过有序介孔结构(平均孔径~6.5 nm)促进电解质、氧气和电子的传输。活性位点:FeN?S?位点通过N和S原子分散和稳定Fe原子,避免Fe-Fe键形成,确保原子级分散。DFT模拟证实,该位点降低OOH*质子化能垒(1.41 eV),促进2e?氧还原反应(ORR),同时抑制4e?途径。性能突破电化学性能:在中性磷酸盐缓冲液(PBS)中,meso-FeNSC在0.3 V(vs RHE)时ORR电流达0.68 mA,起始电位0.60 V,H?O?选择性85%,转移电子数~2.25,8小时内H?O?稳定性80%。电池性能:高电压:0.2 mA/cm2下放电电压达1.2 V,显著高于传统催化剂(如SP的0.84 V)。长寿命:在0.2 mA/cm2下稳定运行超400小时,无明显降解。倍率性能:电流密度从0.2 mA/cm2增至4.0 mA/cm2时,放电平台仍保持~0.83 V。能量密度:比能量密度和体积能量可与锂离子电池竞争,远超铅酸电池和Ni-H?电池。可持续性:在安全性、可再生性、可负担性和环保性方面表现优异,展示高度可持续能源存储潜力。机制解析动态结构演化:XAFS分析显示,放电过程中Fe氧化态增加(从+2.19升至+2.82),充电后恢复至+2.35,证实可逆性。Fe-N和Fe-S键在充放电过程中保持稳定,FeN?S?位点通过动态吸附构型适应氧吸附。产物限制:非原位TEM观察显示,ZnO?纳米颗粒(~6.0 nm)均匀成核于介孔中,被导电石墨烯框架包围,避免无效产物积累,实现快速充放电。研究意义该工作为中性ZABs阴极催化剂设计提供了新原理,通过单原子催化剂实现2e? ORR路径,解决了中性介质中动力学缓慢的难题。提出的meso-FeNSC催化剂显著提升了ZABs的电压、循环效率和操作稳定性,为可持续电池技术商业化应用奠定基础。文献信息:Zhang, W., Zhang, J., Wang, N. et al. Two-electron redox chemistry via single-atom catalyst for reversible zinc–air batteries. Nat Sustain (2024). 10.1038/s41893-024-01300-2
时间:2026-02-11 16:43:35
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