华工-刘军&港城大-支春义&深研院-薛冬峰︱全温自适应柔性超长寿命固态锌空气电池单原子催化剂的双位点配位工程
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一、研究背景：
二、文章简介：
近日， 华南理工大学刘军教授 与 香港城市大学支春义教授 、 中国科学院深圳先进技术研究院薛冬峰教授 合作，利用理论计算预测金属Fe和Co双位在金属- N 4 配位环境下，通过电子配位和几何配位结构的协同作用，可以辅助Co (d xz , d z 2 )和OO* (p x , p z )电子轨道的强杂化，从而使Co活性位的O 2 活性能力增加。 鉴于此，开发了一种新颖的双单原子催化剂，该催化剂由N掺杂碳基体上相邻的Fe-N 4 和Co-N 4 位点组成(FeCo-NC)，合成的FeCo-NC表现出优异的ORR/OER电催化性能，并且在柔性ZABs中具有较小极化电压差。相关研究成果发表在 Advanced Functional Materials 上。 刘军 教授和 支春义 教授为共同通讯作者， 顾腾腾 博士研究生和 张丹彤 博士后为文章共同一作。
三、研究内容：
研究人员通过理论计算预测金属Fe和Co双位在金属- N 4 配位环境下，通过电子配位和几何配位结构的协同作用，可以辅助Co (d xz , d z 2 )和OO* (p x , p z )电子轨道的强杂化，从而使Co活性位的O 2 活性能力增加（ 图1 ）。我们开发一种新颖的双单原子催化剂，该催化剂由N掺杂碳基体上相邻的Fe-N 4 和Co-N 4 位点组成(FeCo-NC)，通过球差扫描电镜，XRD， XANES，FT-EXAFS等测试结果表明，Fe，Co双单原子均匀的分布在氮掺杂碳基体（ 图2 ， 图3 ）。通过电化学测试，FeCo-NC催化剂具有良好的催化活性，这与理论计算结果一致（ 图4 ）。作为锌空气电池空气电极催化剂，可以使该电池在高温低温极端环境下稳定工作（ 图5 ）。
图1. 对FeCo-NC催化剂OER/ORR催化活动起源的理论研究。
图2. 结构表征。
图3. 同
步辐射结
果表征。
图4. 性能测试。
图5. 全温自适应柔性固态锌空气电池测试。
四、结论与展望：
本文在第一性原理计算的指导下，合成一种独特的双单原子催化剂FeCo-NC，其中Fe和相邻的Co原子均由4个N来配位。DFT计算表明，Fe-Co双金属能够以较低的活化能促进氧结合，从而促进ORR的初始反应，并且还证实了双金属之间存在相互作用，可促进Fe-O-O-Co键的形成，而Fe-O-O-Co键是OER的关键中间体之一。合成的FeCo-NC双原子催化剂对ORR和OER均表现出优异的催化活性，并具有良好的稳定性和耐久性。作为空气电极催化剂，所制备的全固态柔性ZAB在30℃温度下可以达到747.0 mAh g -1 的高比容，971.3 Wh k g -1 的大能量密度和超过400 h (1200次循环)的长时间稳定性。具有FeCo-NC电极的柔性ZAB即使在-30℃至60℃的恶劣温度条件下也能很好地工作。在具有多孔结构的氮掺杂碳基体上构建相邻双金属位点的策略是开发耐FT- ZABs的重大进展，有利于其在极端环境下的实际应用。
感谢广东省基础与应用基础研究基金，广东省重点领域研发计划项目和国家自然科学基金会项目的资助。
Authors: Tengteng Gu † , Dantong Zhang † , Yan Yang, Chao Peng, Dongfeng Xue, Chunyi Zhi * , Min Zhu, Jun Liu*
Title: Dual-Sites CoordinationEngineering of Single Atom Catalysts for Full-Temperature Adaptive Flexible Ultralong-Life Solid-State Zn−Air Batteries
Published in : Advanced Functional Materials , doi: 10.1002/adfm.202212299
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