氧电催化在能量转换和存储装置中起着关键作用，如燃料电池和可充电锌空气电池(ZABs)。ZABs具有高理论能量密度(1084 Wh kg⁻¹)和低成本等优势，但也存在功率密度较低和可充电寿命不理想的挑战。因此，作为可充电ZABs核心元件的电催化剂的进一步开发迫在眉睫。近年来，单原子催化剂(SACs)引起了人们极大的研究兴趣。在电催化反应中，大多数的SACs都含有一个金属单原子与相邻的碳基体中的N原子(M-N-C)配位。SACs策略可以通过改变金属中心的电子构型，最大限度地提高原子利用效率，并在原子尺度上实现合理的催化剂设计，从而进一步提高金属中心的内在活性。因此，SACs在ORR、析氢反应(HER)、二氧化碳还原反应(CO₂RR)等一系列电催化还原反应中表现出了良好的催化性能。近年来，人们对构建基于原始M-N-C构型的金属-金属双原子键以进一步提高其性能的兴趣日益浓厚。研究人员提出，金属中心的催化活性可以通过这种构型进一步增强。然而，金属-金属对之间的协同作用仍有待进一步阐明，具体反应活性位点的识别也仍不明确，单个原子在双金属键中对活性的改善作用仍然不清楚。而且，由于单原子中心与含氧中间体之间的强吸附作用，DACs多用于还原反应(CO₂RR和ORR)，很少用于氧化反应。

有鉴于此，澳大利亚新南威尔士大学的Xunyu Lu教授、Rose Amal教授和国立台湾大学的Rushi Liu等人合作通过简单的一步双溶剂浸渍法制备了的N掺杂多孔碳负载原子铁镍双金属对催化剂(Fe–NiNC-50)。Fe–NiNC-50材料对ORR和OER均表现出优异的催化活性。

本文要点

1）在OER中达到10 mA cm^-2（E₁₀）的电势与ORR在1 M KOH电解质中的半波电势（E_1/2）之间，仅有0.73 V的较小电势差（vs RHE，下同），在相同的测试条件下可与基于贵金属的基准催化剂的性能相媲美。

2）Fe-NiNC-50催化剂的双功能性可归因于原子Fe-Ni键的形成，这导致两个原子之间的电荷重新分布，从而促进了氧电催化过程中反应中间体的吸附。正如实验结果和密度泛函理论（DFT）模拟所揭示的那样，Fe-Ni结合可以增强Fe和Ni原子间相互作用，使它们分别成为ORR和OER的活性位点。

3）用Fe–NiNC-50作为催化剂构造的ZAB表现出高且稳定的放电电压输出，较大的峰值功率密度（〜220 mW cm^-2），大的比能量密度（〜932.66 Whkg_Zn^-1）和超长的耐用性（超过100小时循环）。

总之，该工作采用双溶剂浸渍法制备的N掺杂多孔碳负载原子铁镍双金属对催化剂(Fe–NiNC-50)具有双功能催化活性，为通过整合不同金属原子的不同活性来开发多功能DACs提供了新的途径。

参考文献：

Xiaofeng Zhu et al. Harnessing the interplay of Fe–Ni atom pairs embedded in nitrogen-doped carbon for bifunctional oxygen electrocatalysis. Nano Energy, 2020.

DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104597

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104597