可逆鋅空氣電池具有價格低廉、環境友好和能量密度高（1084Wh kg-1）等優勢，在便攜式交通工具和能量儲存器件應用方面潛力巨大。該電池的核心組分是驅動氧還原反應(ORR)和析氧反應(OER)的雙功能催化劑，但存在動力學緩慢及循環穩定性差等問題。因此，發展廉價、高效的雙功能催化劑，對于推動可逆鋅空氣電池的實際應用具有重要意義。

 

氮化物，如Ni3FeN等，因其獨特的電子結構和半金屬特性，在電催化氧氣還原反應(OER)中，表現出優異的性能。但將Ni3FeN應用于可逆鋅空氣電池中，面臨兩個問題：一是氮化物的ORR活性低；二是氮化物的在合成過程（氨氣氣氛煅燒）中易團聚，難以得到更小尺寸、更多活性位暴露的氮化物，阻礙其OER性能的進一步提升。

 

近日，中國科學院理化技術研究所超分子光化學研究團隊研究員張鐵銳課題組采用“一石二鳥”的策略，通過引入鈷氮共摻雜碳載體(Co,N-CNF)，有效減輕Ni3FeN在高溫合成過程中的團聚問題，從而縮小其尺寸至14nm；同時Co,N-CNF本身具備優良的ORR性能。因此，Ni3FeN/Co,N-CNF復合物的OER性能明顯優于貴金屬IrO2，ORR性能超過商業化Pt/C，該雙功能催化劑可實際應用于可逆鋅空氣電池，并在高電流密度(50 mA cm-2)下長時間穩定工作。該策略為設計和合成多功能催化劑提供了新思路，可廣泛應用于金屬空氣電池、可充放電式燃料電池、全分解水以及其他能源領域。

 

研究結果以3D Carbon Nanoframe Scaffold-immobilized Ni3FeN Nanoparticle Electrocatalysts for Rechargeable Zinc-Air Batteries’Cathodes為題發表在Nano Energy上。

 

研究工作得到科技部國家重點基礎研究計劃、國家自然科學基金委優秀青年科學基金項目、國家“萬人計劃”-青年拔尖人才支持計劃、中科院戰略性先導科技專項（B類）等的支持。

 

 

Ni3FeN/Co,N-CNF復合物應用于可逆鋅空氣電池