北京
新型设计提升下一代储能技术的能效、寿命与经济性。
在全球储能技术竞赛中，锌空气电池（ZABs）正成为极具吸引力的替代选择。其工作原理是通过吸收空气中的氧气与金属锌发生反应产生电能，这使得它们比依赖稀缺易爆材料的传统锂离子电池更轻、更安全，且潜在成本更低。与锂离子电池相比，锌空气电池具有更高的理论能量密度，且过热或燃烧风险更小。
但长期以来，缓慢的氧还原反应（ORR）制约了其发展潜力 —— 这个关键过程在放电时负责氧分子转化。低效的ORR会导致能量转换不足并缩短电池寿命。为突破这一瓶颈，日本东北大学的研究团队开发出可能改变游戏规则的双原子催化剂。
双原子催化剂实现性能飞跃
在先进材料研究所（WPI-AIMR）张迪（音译）助理教授带领下，团队通过配对铁（Fe）和钴（Co）原子，设计出新型双原子催化剂。这些原子被嵌入氮掺杂碳基多孔结构中，形成名为Fe₁Co₁-N-C的材料。
研究人员通过计算模型研究pH值如何影响ORR，从而设计出最适合碱性电池条件的催化剂。随后采用模板法与CO₂活化技术构建该结构，形成对反应物高效传输至关重要的小孔径。最终获得的催化剂不仅支持更快的ORR，其性能还超越了传统铂催化剂（Pt/C）。
超越铂基催化剂
实验显示，Fe₁Co₁-N-C双原子催化剂的ORR活性显著优于铂。采用新催化剂的锌空气电池在测试中达到1.51伏的开路电压（衡量能量潜力的重要指标），同时实现每千克锌1079瓦时的能量密度（Wh kgZn⁻¹），远超同类电池系统水平。即便在2至600毫安/平方厘米的高电流需求下，电池仍保持优异的倍率性能。
最令人瞩目的是其寿命表现：在中等电流水平下持续运行3600小时并完成7200次循环，远超当前大多数电池的续航能力。"这项工作为实际应用催化剂的设计合成提供了高效理性策略，"张迪表示，"通过理论模型与实际合成方法的结合，我们开发出能显著提升锌空气电池性能的催化剂。"
应用前景与下一步研究
该双原子催化剂的成功为开发更经济、耐用、高效的锌空气电池指明了方向。由于铁和钴比铂更易获取，规模化生产也将更具成本优势。
研究团队未来计划优化原子配对精度，并开发更先进的技术以识别催化剂中驱动ORR的具体活性位点。通过突破双原子催化剂工程的极限，研究人员希望进一步改进能源转换技术，为未来电动汽车和可再生能源系统提供动力。
该研究成果已发表于《能源与环境科学》期刊。
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