【研究背景】

為實現碳中和和零碳排放目標，發展清潔和可再生能源技術意義重大。可充電鋅-空氣電池具有安全性高、零碳排放、理論能量密度高（1086 Wh kg-1）等優點，被認為是最有前途的電化學能量存儲和轉換器件之一。然而，緩慢的ORR和OER動力學造成了鋅-空氣電池充-放電電壓極化現象嚴重，從而限制了其規模化應用。已商業化的Pt、Ru、Ir等貴金屬基催化劑被視為ORR或者OER的基準的催化劑，但高昂的成本、單一功能性，以及有限的催化活性和穩定性使其仍難以滿足鋅-空氣電池大規模化應用的要求。因此，發展新型且價格低廉、催化性能優異的多功能電催化劑迫在眉睫。

【文章簡介】

近日，南方科技大學徐強教授和肖欣研究助理教授，在國際知名期刊Advanced Functional Materials上發表題為“Spatially Immobilized PtPdFeCoNi as an Excellent Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Zinc-Air Battery”的研究論文。該研究文章提出了通過超快速焦耳加熱工藝將高度分散的超細PtPdFeCoNi高熵合金納米顆粒和隨機分布的金屬單原子固定在3D分級有序多孔氮摻雜碳骨架上的方法，所制備的高熵合金催化劑在可充電鋅-空氣電池中具有優異的性能。

圖1. PtPdFeCoNi/HOPNC的制備示意圖

圖2. PtPdFeCoNi/HOPNC的結構表征圖

圖3. 催化劑的電化學性能表征圖

圖4. 催化劑的電化學性能表征圖

圖5. 組裝的鋅空氣電池的性能圖

【本文要點】

要點一：3D分級有序多孔氮摻雜碳骨架的構建有利于超細高熵合金顆粒和多金屬單原子的均勻負載

構建的3D分級有序多孔氮摻雜碳骨架具有豐富的外表面和內表面，有利于超細PtPdFeCoNi高熵合金顆粒和多金屬單原子的負載。同時，碳骨架中的氮位點對金屬物種起到了顯著的錨定作用，促成了金屬單原子的形成和均勻分布。得益于多種活性位點的充分暴露，所合成的PtPdFeCoNi/HOPNC對ORR/OER具有優異的雙功能催化性能。

要點二：微孔-介孔-大孔互聯通道加快了傳質過程

構建的3D分級有序多孔氮摻雜碳骨架中的微孔、介孔和大孔可以互聯互通，促進了ORR和OER過程中物質的傳輸，具有了較低的ORR和OER塔菲爾斜率，實現了優異的催化反應動力學過程。

要點三：PtPdFeCoNi/HOPNC具有優異的雙功能電催化活性

PtPdFeCoNi/HOPNC催化劑表現出優異的雙功能電催化活性，具有較正的ORR半波電位（0.866 V vs. RHE）和較低的OER過電位（310 mV @ 10 mA cm-2）。將PtPdFeCoNi/HOPNC作為陰極催化劑組裝的準固態鋅-空氣電池顯示出233.94 mW cm-2的高功率密度、優異的倍率性能、低充-放電電壓極化，在10 mA cm-2的充-放電電流密度下具有165 h的長循環壽命，超過了商用Pt/C-RuO2混合物。

【文章鏈接】

Spatially Immobilized PtPdFeCoNi as an Excellent Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Zinc-Air Battery

https://doi.org/10.1002/adfm.202414537

【通訊作者簡介】

肖欣簡介：南方科技大學研究助理教授，主要從事高效納米功能材料的制備、電催化應用及構效關系的探究。共發表SCI論文50余篇，其中以第一作者及共同通訊作者的身份在Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Sci.、Chem、ACS Nano、Appl. Catal. B Environ.、Coord. Chem. Rev.等高水平期刊上發表學術論文18篇。

徐強簡介：南方科技大學講席教授，日本工程院院士，印度國家科學院院士，歐洲科學院院士。曾先后任日本國立產業技術綜合研究所（AIST）首席研究員，AIST-京都大學能源化學材料開放創新實驗室主任，神戶大學、京都大學教授（兼）。2014-2023年連續入選湯森路透-科睿唯安全球高被引學者，曾獲湯森路透研究前沿獎、洪堡研究獎，市村地球環境學術獎及配位化學會獎等。擔任《EnergyChem》主編，《Coord. Chem. Rev.》副主編，《Chem》、《Matter》、《Adv. Energy Mater.》、《Chem. Asian J. 》等期刊編委。目前主要致力于金屬有機框架及衍生物等材料的可控制備及其在催化、能源及環境等領域的應用。

【課題組招聘】

根據課題組發展需求，課題組長期招聘光/電催化、傳感、電池、理論計算以及電鏡表征方向的博士后，應聘者請將材料發至：xuq@sustech.edu.cn。

【核心儀器】

本文在制備高熵合金納米顆粒和金屬單原子催化劑過程中使用的焦耳加熱裝置型號為JH3.3-P（合肥原位科技有限公司）。

焦耳加熱裝置是一種新型快速熱處理/合成的設備，該設備可使材料在極短（毫秒級/秒級）時間內達到極高的溫度（1000~3000℃），升溫速率最快可達到10000k/s；通過對材料的極速升溫，可考察材料在極端環境、劇烈熱震情況下的物性改變，可通過極速升降溫制備納米尺度顆粒，單原子催化劑，高熵合金等。目前廣泛應用在電池材料、催化劑、碳材料、陶瓷材料、金屬材料、塑料降解、生物質等領域。