通过定向电子转移诱导的协同电子效应助力高效锌-空气电池

锌-空气电池（ZABs）被认为是当今最具发展前途的储能技术之一，然而，阴极氧还原反应（ORR）的缓慢动力学和较高的过电位极大地限制了ZABs的能量转换效率。尽管基于贵金属Pt发展的催化剂表现出较为优异的催化活性，高昂的成本和耐久性问题使其难以大规模推广。近年来，原子分散Fe-N-C催化剂因其独特的结构和出色的ORR催化性能受到广泛关注，为实现理想的催化效果，发展高效的修饰策略用于提升Fe-N-C催化剂的活性和稳定性尤为关键。

在这项工作中，作者基于Pt金属的电负性特征和尺寸效应对ORR路径的影响，构建了具有低含量Pt纳米颗粒修饰Fe-N-C的多尺度催化位点协同的双金属催化剂PtNPs-Fe/NC。研究表明，Pt纳米颗粒和Fe金属位点之间存在显著的定向电子转移路径，这种定向电子转移促进了金属位点之间的协同电子效应，进而实现了对Fe位点周围电子密度的有效调控。结果显示，所制备的PtNPs-Fe/NC催化剂在ORR中表现出优异的催化活性，其半波电势（E1/2）达到了0.901 V，优于商业Pt/C、单金属催化剂Fe/NC、PtNPs/NC以及大多数已报道的催化剂。而且PtNPs-Fe/NC的稳定性和甲醇耐受性也得到显著提升。进一步将制备的PtNPs-Fe/NC催化剂应用于自制的ZABs中。基于PtNPs-Fe/NC的液态ZABs实现了令人印象深刻的峰能量密度（201.48 mW cm-2）和超高的比容量（809 mAh g-1），接近ZABs的理论比容量（820mAh g-1），并且能够平稳地充放电超过100小时。此外，基于 PtNPs-Fe/NC 的柔性固态ZABs也表现出良好的放电能力和循环稳定性。该研究强调了多尺度催化活性位点构建在提升ORR催化剂性能中的作用，为储能设备中催化剂的设计提供了有价值的见解。

图1. 催化剂的制备流程及形貌表征。

图2. 催化剂的电子结构表征。

图3. 电催化ORR性能测试。

图4. 液态ZABs性能测试。

图5. 柔性固态ZABs性能测试。

本工作以“Triggering Synergistic Electronic Effect via Electron-Directed Transfer within PtNPs-Fe/NC Oxygen Reduction Catalyst for Zinc-Air Batteries”为题发表在国际知名期刊《Small》上。其中西南交通大学2022级硕士研究生马全磊为第一作者，西南交通大学化学学院张颜博士为通讯作者。该项工作得到了四川省重点研发项目(省校合作项目)(2025YFHZ0056)和中央高校基本科研业务费专项资金(2682024ZTPY016)的支持。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202500344

(来源： 西南交通大学 版权属原作者 谨致谢意）