水分解、燃料電池、金屬-空氣電池等高效、低成本能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換技術(shù)的開(kāi)發(fā)已成為研究的前沿領(lǐng)域。

其中，鋅-空氣電池使用水系電解液具有低成本、安全、環(huán)境友好的優(yōu)勢(shì)，理論能量高達(dá)1084 Wh/kg，有望成為新一代儲(chǔ)能設(shè)備。根據(jù)使用需求，鋅-空氣電池可以做成一次電池、可充放電電池以及柔性電池。

鋅-空氣電池的放電過(guò)程涉及氧還原反應(yīng)（ORR），而充電過(guò)程涉及析氧反應(yīng)（OER）。

目前Pt基催化劑是優(yōu)良的ORR催化劑，Ir和Ru基催化劑在OER反應(yīng)中具有優(yōu)異的催化性能，但是鉑族元素在地殼中儲(chǔ)量稀少、價(jià)格昂貴，穩(wěn)定性差，且功能單一。因此，開(kāi)發(fā)低成本、高效、穩(wěn)定的非貴金屬催化劑對(duì)于鋅-空氣電池的商業(yè)化推廣具有重要意義。

單原子催化劑具有高的本征活性、最大化的原子利用效率以及特定的催化劑結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，基于單原子催化劑的制備、表征和催化性能研究成為能源、材料和催化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

非貴金屬的Fe基、Co基、Ni基、Mn基單原子催化劑顯示出優(yōu)異的電催化性能，有望成為鉑族貴金屬催化劑的替代材料。特別是Fe基單原子催化劑在堿性條件下的ORR反應(yīng)中具有優(yōu)于Pt基催化劑的性能，表現(xiàn)出更高的半波電位、更大的極限電流密度和擴(kuò)散電流密度。

近日，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所孫春文課題組副研究員韓軍興等人基于金屬-有機(jī)框架材料（MOF）包覆和高溫裂解技術(shù)成功制備了單原子Fe基催化劑。

該工作以二價(jià)的FeSO₄作為Fe前軀體；1,10-鄰菲羅啉作為有機(jī)配體（Phen），通過(guò)與Fe²⁺離子配位形成有機(jī)復(fù)合物（Fe-Phen）。

在MOF晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，有機(jī)復(fù)合物分子（Fe-Phen）被原位包覆在具有分子尺寸的納米腔體中，彼此被MOF骨架隔離開(kāi)。

在Ar氣氛下經(jīng)過(guò)900℃高溫焙燒后得到單原子分散的Fe基催化劑。

電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明單原子Fe基催化劑在ORR反應(yīng)中的半波電位高達(dá)0.91 V，比傳統(tǒng)的Pt/C催化劑高90 mV，并且優(yōu)于目前文獻(xiàn)中報(bào)道的絕大多數(shù)催化劑；

電化學(xué)活性表面積約是商業(yè)Pt/C催化劑的兩倍。

a) 一次鋅-空氣電池結(jié)構(gòu)示意圖；b) 不同催化劑制備的電池的開(kāi)路電壓隨時(shí)間的變化曲線；c) 電池功率密度特性；d) 電池放電曲線；e) 在10 mA cm^-2的電流密度下電池恒流放電曲線；f) 展示鋅-空氣電池可以為電子手表供電。

將單原子Fe基催化劑用作一次鋅-空氣電池的正極催化劑，電池開(kāi)路電壓高達(dá)1.51 V，優(yōu)于Pt/C催化劑（1.45 V）；

功率密度達(dá)到96.4 mW cm^-2；以10 mA cm^-2的電流密度進(jìn)行放電，一次鋅-空氣電池可以在1.28 V的放電電壓下穩(wěn)定運(yùn)行2000 min以上。

?a) 柔性可折疊鋅-空氣電池示意圖；b) 在1 mA?cm^-2的電流密度下電池充放電曲線；c) 柔性鋅-空氣電池的折疊性能測(cè)試；d) 串聯(lián)的兩組柔性鋅-空氣電池為發(fā)光二極管陣列供電。

除了表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR催化性能外，單原子Fe基催化劑還具有較好的雙功能（ORR/OER）催化特性，E_j10與E_1/2的電位差為0.92 V，小于貴金屬?gòu)?fù)合催化劑（Pt/C+RuO₂）的（0.94 V）。

將單原子Fe基催化劑用作可充放電鋅-空氣電池的正極，鋅-空氣電池在10 mA cm^-2的電流密度下可以穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)250 h。將單原子Fe催化劑用作柔性可折疊鋅-空氣電池的正極，電池在1 mA cm^-2的電流密度下可以穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)120 h。

Han J, Meng X, Lu L, et al. Single‐Atom Fe‐Nx‐C as an Efficient Electrocatalyst for Zinc–Air Batteries[J]. Advanced Functional Materials, 2019: 1808872.