The Innovation Energy | 类富勒烯曲面和分级多孔结构助力高效氧还原反应

锌空电池具有能量密度高、安全环保和成本低廉的优点，是下一代储能技术的热门候选。然而，其空气电极的氧还原反应（ORR）动力学缓慢，通常依赖昂贵的铂基催化剂，这在很大程度上限制了锌空气电池的发展。因此，开发低成本、高性能的非贵金属催化剂是锌空气电池技术发展的关键。

导  读

近年来，铁-氮-碳（Fe-N-C）催化剂因其优异的ORR活性被认为是替代铂基催化剂的理性选择。传统Fe-N-C催化剂中，平面Fe-N4位点对氧还原反应中的*OH中间体吸附过强，不利于其脱附；同时ZIF-8衍生碳中的微孔结构不利于反应物传质。上述两点原因导致Fe-N-C上的ORR反应动力学缓慢。本文提出了一种复合模板辅助热解法，制备具有类富勒烯曲面和分级多孔结构的Fe-N-C催化剂(f-Fe-NC)用于高效氧还原反应。

图1 图文摘要

本文制备了一种由聚多巴胺(PDA)薄层包裹的纳米氧化锌(ZnO)复合模板(PZS)，并通过自组装效应将其成功嵌入ZIF-8框架，采用的铁源为铁酞菁(FePc)。在高温热解过程中，ZnO和碳基底发生剧烈反应，生成Zn单质并在高温下蒸发逸出，生成大量五元碳环和分级多孔结构(微孔+介孔)。同时，大量生成的孔隙结构诱导碳基底发生向内坍塌和晶格应力，从而产生表面曲率，并消除了碳缺陷，最终形成有大量五元碳环存在的类富勒烯曲面。在f-Fe-NC中，由于受到类富勒烯曲面的作用，Fe-N4位点中的Fe-N键受到了明显的拉伸，一组Fe-N键缩短，而另一组Fe-N键伸长，形成了不对称的配位结构，显著调控了Fe-N4位点的电子结构,大幅促进了*OH中间体的脱附。

电化学测试结果表明，f-Fe-NC在碱性介质中的ORR半波电位高达0.91 V，优于商业Pt/C(0.87 V)和普通Fe-NC(0.88 V),其质量活性(MA)达到7.95 A mgFe-1，是普通Fe-NC的7倍；转换频率(TOF)为1.13 s-1，相较于普通Fe-NC(0.16 s-1)提高了一个数量级。此外，f-Fe-NC还具有优异的分级孔结构，水接触角仅20.69°，电解液渗透性极佳，传质阻力大大降低。以f-Fe-NC为阴极组装的锌空电池，开路电压1.46 V，峰值功率密度182 mW cm-2；在10 mA cm-2的电流密度下，其比容量高达811 mAh g-1；在5 mA cm-2的电流密度下稳定充放电循环200 h。

总结与展望

这项工作为Fe-N-C催化剂的结构设计开辟了新思路——从平面到曲面，从对称到不对称，通过表面曲率调控电子结构，提高活性位点的本征活性；并同时构建分级多孔结构,加快反应物传质。未来，这一策略也有望拓展至其他金属元素（Co、Mn等）和酸性ORR体系，推动非贵金属催化剂在锌-空气电池和燃料电池中的实际应用。

责任编辑

杨青青   北京理工大学

丁振亚   The Innovation