英文原题：Efficient atomically dispersed Fe catalysts with robust three-phase interface for stable seawater-based zinc-air batteries

作者：Daokun Kang , Canhui Zhang , Xingkun Wang* , Fanqi Wang , Huiyu Gai , Hanxu Yao , Xu Liu , Zhuangzhuang He , Minghua Huang* , Heqing Jiang

01 论文信息

论文信息

Kang D, Zhang C, Wang X, etal. Efficient atomically dispersed Fe catalysts with robust three-phase interface for stable seawater-based zinc-air batteries[J].Green Carbon, 2024.

Single atom catalyst；Three-phase interface；Oxygen reduction reaction；Repulsion chloride ion；Dischargeable stability

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.09.002

论文下载

Efficient atomically dispersed Fe catalysts with robust three-phase interface for stable seawater-based zinc-air batteries

中文解读原链接

Green Carbon封面文章 | 中国海洋大学黄明华教授、青岛能源所汪兴坤副研究员：新型铁催化剂助力海水锌空气电池稳定运行

02 背景简介 

在能源领域，开发海水基锌空气电池是应对能源存储与淡水资源短缺协同挑战的前沿方向。尽管锌空气电池具有高能量密度（1086 Wh kg-¹）和环保优势，但海水电解质中高浓度Cl⁻（~0.5 M）引发的催化剂腐蚀与氧反应动力学迟滞严重制约其发展。突破该瓶颈需构建兼具Cl-耐受性与优化氧吸附能的氧还原催化剂，其核心在于精准调控活性位点的电子结构及界面微环境。

中国海洋大学黄明华教授、中国科学院青岛生物能源与过程研究所汪兴坤副研究员于Green Carbon上发表标题为“Efficient atomically dispersed Fe catalysts with robust three-phase interface for stable seawater-based zinc-air batteries”文章，并被选为封面文章。本工作成功开发一种简单的自组装及热解策略，制备出一种兼具三项异质界面的氮掺杂介孔碳球负载Fe单原子氧还原催化剂（N-MCS-Fe-900）。

03 文章简介

采用水热法合成了氮掺杂介孔聚合物球（N-PS）前驱体，并经高温热解成功制备出氮掺杂介孔碳球负载铁单原子催化剂（N-MCS-Fe-900）。透射电子显微镜（TEM）及高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像表明，该材料呈现相互连接的介孔球形结构，平均直径为40 ± 5 nm。进一步的拉曼光谱分析和氮气吸脱附测试揭示了其元素化学状态和孔隙结构特征，为材料的优异性能提供了有力支撑。

独特结构优势

N-MCS-Fe-900展现出独特的互联介孔球形结构，其中Fe以单原子形式（FeN₄-O₂构型）均匀锚定于碳基体中，结合微孔-介孔-大孔多级传质通道诱导的疏水-亲气界面，在海水电解质中形成活性位点保护屏障以免受腐蚀性Cl⁻侵蚀。

优异催化性能

在碱性溶液和海水电解质中，N-MCS-Fe-900的氧还原反应催化活性均优于商业Pt/C。在海水中，其半波电位达0.90 V，动力学电流密度在0.85V时为18.61 mA/cm²。

卓越电池性能

以N-MCS-Fe-900为空气阴极组装的海水基锌空气电池，开路电位达1.45 V，峰值功率密度为175.6 mW/cm²，能在50 mA/cm²的高电流密度下稳定放电超140 h。

总结及展望

这项研究制备的N-MCS-Fe-900催化剂在海水基锌空气电池中表现卓越。未来，研究团队将进一步优化催化剂制备工艺，降低成本，推动其商业化应用。同时，探索该催化剂在其他能源存储与转换领域的应用潜力，为可持续能源发展提供更多可能。

04 作者简介

黄明华 教授

黄明华，中国海洋大学教授，博士生导师，德国洪堡学者，山东省研究生优秀指导教师。近年来重点研究电解(海)水制氢和燃料电池、海水电池等关键材料与技术，旨在解决清洁氢能开发与利用领域中贵金属Pt关键核心材料的卡脖子问题。已在Nat. Synth.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际顶尖期刊发表130余篇论文，授权发明专利8项，相关文章发表后被Science专门亮点报道。主持包括国家自然科学青年、面上基金、中德国际合作项目及金砖国家科技和创新框架计划合作研究项目等多项科研项目，担任Nano Research期刊编委、Rare Metals和Green Carbon期刊青年编委。

汪兴坤 副研究员

汪兴坤，中国科学院青岛生物能源与过程研究所功能膜与氢能技术研究中心副研究员。2016年本科毕业于青岛科技大学，2022年在中国海洋大学获博士学位。主要研究方向为氢能和金属空气电池的关键材料与技术研究，已在Nat. Synth.、Nat. Commun.、The Innovation、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际顶尖期刊发表论文40余篇，主持包括国家自然科学基金青年基金、山东省自然科学基金青年基金等多项科研项目。

05 Green Carbon

期刊官网：Green Carbon官网

投稿网址：Green Carbon投稿

公众号：Green Carbon公众号

知乎：Green Carbon知乎主页

科学网：Green Carbon科学网主页

微博：Green Carbon微博主页