新型催化剂使商用高效锌空气电池更接近现实

从化石燃料到可再生能源的有效转换需要成本效益高、容量大的可充电电池。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，或加速化学反应的试剂，这些催化剂在充电和放电反应中表现不佳

开发了一种新的金属氮碳催化剂，用于ZAB，其性能优于贵金属催化剂，提高了ZAB技术的效率和实用性。ZABs的作用是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的速率和电池性能

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）中制备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，该团队还优化了柔性碳点/聚乙烯醇（CD/PVA）膜作为固态ZAB电解质，或转移带电原子的电池组件，创造了一种柔性稳定的高性能电池，有可能用于可穿戴设备

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

“可充电金属空气电池是很有前途的电源，尤其是锌空气电池（ZAB），它具有高理论能量密度（1084 Wh kg/minus；1）、环境友好和成本效益。此外，可充电ZAB不仅安全稳定，而且便携耐用。目前，对可充电和柔性ZAB的研究非常重要，”牛津大学化学系研究员、论文高级作者兼该项目负责人李焕新说

ZABs的放电和充电分别通过两个反应：氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）。这些反应是出了名的缓慢，并且需要加速电化学反应的催化剂或电催化剂。虽然贵金属能够加快ORR和OER，但成本、次优性能和对两种不同贵金属的要求等问题限制了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（M-N-C）纳米材料因其价格低、储量丰富、电化学活性好和稳定性高而备受关注。”。为了解决这个问题，该团队使用沸石咪唑酸盐框架（ZIF），即围绕并排列三个金属原子（Fe、Co和Ni）的碳氮框架，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）、球面像差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（AC-HAADF-STEM）和电子能量损失光谱（EELS）证实了Fe、Co和Ni原子的分布

总体而言，三元Fe-Co-Ni电催化剂在氧还原和析氧反应中优于双金属电催化剂（FeNi、FeCo和CoNi）以及铂和钌这两种贵金属电催化剂。该团队认为，三元电催化剂的所有三个金属原子都是活性的，并相互配合以提高催化活性，其中Fe作为最丰富的原子对活性的贡献最大。电催化剂的多孔结构和增加的表面积也可能有助于增强催化活性

总体而言，该团队的可充电ZAB实现了846.8毫安时的比容量·；gZn&minus；1和令人印象深刻的135mW·；厘米&ndash；2在液体电解质中。ZAB还实现了60mW的功率密度&中点；厘米&ndash；2使用该团队优化的CD/PVA固态电解质，这超过了固态ZAB与其他催化剂的报道结果

重要的是，研究中开发的ZAB既耐用又稳定，能够为风扇和LED屏幕供电，并为手机充电。研究人员希望，他们的三元Fe-Co-Ni电催化剂和CD/PVA电解质将推动对实用、高性能ZAB技术的新催化剂和电解质的研究

其他贡献者包括中国长沙湖南大学化学与化工学院的秦世峰、曹梦雪和黄中原；来自英国伦敦大学学院化学系的李凯琪、何冠杰和伊万·帕金；以及来自中国铜仁的贵州大龙汇成新材料有限公司的刘五华