新型催化剂使商用高效锌空气电池更接近现实

要有效地从化石燃料能源转换为可再生能源，需要成本低廉、容量大、可充电的电池。锌空气电池 (ZAB) 理论上可以储存大量能量，但目前的技术需要使用昂贵的贵金属催化剂或加速化学反应的药剂，而这些药剂在充电和放电反应中表现不佳。一种用于 ZAB 的新型金属氮碳催化剂已被开发出来，其性能优于贵金属催化剂，提高了 ZAB 技术的效率和实用性。

ZAB 的功能是利用空气中的氧气氧化锌。最近的研究表明，结合不同非贵金属原子的催化剂可以提高放电反应速率和电池性能。考虑到这一证据，湖南大学、伦敦大学学院和牛津大学的一组研究人员从铁、钴和镍(分别为 Fe、Co 和 Ni)中生成了一种非贵金属-氮-碳催化剂，以提高 ZAB 的充电、放电和成本效率。重要的是，该团队还优化了一种柔性碳点/聚乙烯醇 (CD/PVA) 薄膜作为固态 ZAB 电解质或转移带电原子的电池组件，从而创造出一种柔性且稳定的高性能电池，可用于可穿戴设备。

该团队于2024年5月17日在《纳米研究能源》杂志上发表了他们的研究成果。

“可充电金属空气电池是一种很有前途的电源，尤其是锌空气电池 (ZAB)，它具有高理论能量密度 (1084 Wh kg −1 )、环境友好和成本效益。此外，可充电 ZAB 不仅安全稳定，而且便携可穿戴。目前，大量研究集中在可充电和柔性 ZAB 上，”牛津大学化学系研究员、论文资深作者兼项目负责人 Huanxin Li 说道。

ZAB 通过两种反应进行放电和充电：氧还原反应 (ORR) 和氧释放反应 (OER)。众所周知，这些反应非常缓慢，需要加速电化学反应的催化剂或电催化剂。虽然贵金属能够加速 ORR 和 OER，但成本、性能不佳以及需要两种不同的贵金属等问题限制了 ZAB 技术的整体实用性。

李博士说：“开发低成本、高效的双功能非贵金属电催化剂对于可充电 ZAB 的商业化至关重要。在各种非贵金属催化剂中，金属-氮-碳 (MNC) 纳米材料因其价格低廉、储量丰富、电化学活性优异和稳定性高而受到特别关注。”

然而，由于每个金属原子之间产生的相互作用力不同，制造由三种不同金属原子组成的电催化剂并非易事。为了解决这个问题，该团队使用了沸石咪唑酯骨架 (ZIF)，即包围和排列三种金属原子 (Fe、Co 和 Ni) 的碳氮骨架，在高温下将催化原子均匀地锚定在多孔碳上。该团队通过能量色散 X 射线光谱 (EDX)、球面像差校正高角度环形暗场扫描透射电子显微镜 (AC-HAADF-STEM) 和电子能量损失谱 (EELS) 确认了 Fe、Co 和 Ni 原子的分布。

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