近年來，對綠色能源的探索和開發(fā)帶動了包括鋅-空氣電池（ZAB）在內(nèi)的一系列能源轉(zhuǎn)換和儲存裝置的研究。ZAB使用水系電解液且具有體積小、能量密度大、成本低等優(yōu)勢，被認為是電能轉(zhuǎn)化和儲能的重要技術(shù)方向，在未來能源應用中有著廣闊前景。在ZAB充放電過程中，空氣電極上進行的氧還原反應（ORR）和氧析出反應（OER）動力學過程緩慢，需要較大的過電勢造成電壓損失，成為制約鋅空電池性能的核心問題。

中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所研究員曹榮和曹敏納研究團隊設(shè)計并合成了一系列單原子催化劑（M-NHC，M=Fe, Co, Ni），其中Fe-NHC在鋅空電池的性能測試中表現(xiàn)出比市售催化劑更高的功率密度、能量密度和穩(wěn)定性。該催化劑是以大環(huán)化物六元瓜環(huán)（CB[6]）自組裝得到的棒狀超分子為碳前驅(qū)體，與廉價的金屬鹽混合均勻后通過簡單的熱解法合成得到。在合成過程中借助于瓜環(huán)超分子自組裝體內(nèi)部固有的孔道結(jié)構(gòu)，無需添加模板劑或者繁雜的后處理過程即可制備出具有分級微介孔結(jié)構(gòu)的多孔N摻雜碳載體，實現(xiàn)有效錨定金屬單原子的同時具有更高效的傳質(zhì)及電子轉(zhuǎn)移功能。在組裝成鋅空電池時，F(xiàn)e-NHC能夠達到157mW/cm2的功率密度，遠高于市售催化劑Pt/C和Ir/C混合催化劑的120mW/cm2。在10mA/cm2的放電測試過程中，F(xiàn)e-NHC能夠維持長達60小時，而市售貴金屬催化劑在4個小時后出現(xiàn)嚴重的電壓損失。該工作通過簡易方法合成了廉價且高效穩(wěn)定的鋅空電池空氣極電催化劑，也為無模板法合成單原子催化劑提供了新策略。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Applied Catalysis B: Environmental上，論文第一作者為福建物構(gòu)所博士章粟原。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、中科院前沿科學重點研究計劃項目、福建省自然科學基金的支持。

論文鏈接

福建物構(gòu)所無模板策略合成N摻雜多孔碳基單原子催化劑用于鋅空電池研究獲進展