独特二维钴铁结构助力锌空气电池稳定运行3500次循环

研究人员开发CoFe-2DSA催化剂，显著提升金属空气电池寿命与功率输出。

在全球竞相脱碳的背景下，清洁能源存储正成为核心挑战。当前电动汽车和可再生能源存储的主力军锂离子电池已逐渐接近性能极限 —— 成本高昂、性能衰减且难以满足大规模应用所需的续航能力与稳定性。

金属空气电池则被视为锂离子电池的迭代技术，因其理论上具有更高的能量密度。这种潜力使其在电动汽车、航空航天系统和可再生能源存储领域备受关注，但缓慢的氧化学反应始终是难以突破的瓶颈，导致能量损耗与电池寿命缩短。

独特二维结构加速氧反应

科学家长期认为氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）是金属空气电池技术的核心障碍。若缺乏高效稳定的催化剂驱动这些过程，电池效率会急剧下降且快速老化。

莫纳什大学化学与生物工程系研究团队开发的CoFe-2DSA双金属单原子催化剂破解了这一难题。该催化剂由钴铁原子嵌入超薄多孔碳纳米片构成，可加速通常制约电池性能的氧反应。测试表明，使用该催化剂的电池在数千次充放电循环中表现出更高能量密度、更强功率输出和卓越稳定性。

"该催化剂不仅解决了锌空气电池的关键瓶颈，其设计原理还可应用于燃料电池、水分解等其他清洁能源技术，"帕拉玛·查克拉博蒂·班纳吉博士强调。这种广泛适用性至关重要，因为催化剂设计的突破往往能推动多个清洁能源领域的发展。

熔盐辅助热解构建微观结构

CoFe-2DSA通过独特结构突破限制：研究团队采用熔盐辅助热解法将三维钴铁框架转化为二维纳米片，暴露更多活性位点并形成促进电荷与质量传输的微孔。这种结构转变不仅大幅增加反应表面积，更确保钴铁原子在原子级别被高效利用，从而实现材料减耗与能量高效转换。

锌空气电池测试验证长效性能

作为锌空气电池阴极时，CoFe-2DSA achieved功率密度达229.6 mW/cm²，比容量达811.5 mAh/g，在74天内稳定运行超过3500次循环。密度泛函理论计算证实，通过氮掺杂配位的钴铁原子优化了反应路径与电子传输，从而实现高效反应。

该材料在3500次循环后仍保持稳定，展现出同类电池中罕见的耐久性 —— 这类电池通常存在容量快速衰减的问题。此种稳定性使催化剂特别适合需要常年可靠运行的电网储能系统。

这项突破凸显了双金属单原子催化剂在下一代储能领域的潜力。通过结合高导电性、氮掺杂和二维多孔结构，CoFe-2DSA有望推动金属空气电池走向实际高性能应用。

研究成果已发表于爱思唯尔旗下《化学工程期刊》。

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