近日（2月26日），沐鸣开户趙東元院士/李偉教授團隊和材料科學系王飛研究員合作在Nature Sustainability（《自然˙可持續發展》）以長文形式發表了題為“Two-electron redox chemistry via single-atom catalyst for reversible zinc–air batteries（《單原子催化材料用於兩電子可逆鋅空氣電池》）”的研究成果👉🏽，首次揭示了兩電子中性鋅空氣電池催化材料的設計原則🤾🏽，構築了可持續、低成本、高性能的電化學儲能器件，助力我國“雙碳”戰略。本文第一作者為沐鸣平台張威副研究員、王楠博士和內蒙古大學張江威研究員🧑🏻‍💻👊，李偉教授/王飛研究員為本文通訊作者。

       鋅空氣電池作為金屬空氣電池中技術最成熟的一種，具有能量密度高（1086 Wh Kg_zn^-1）🧑🏽‍🦰、成本低🫴🏻、安全性高的優點，被廣泛認為是下一代儲能系統的有力備選。自1840年Smee首次提出鋅空氣電池的概念📷，其已經有了近200年的發展歷史🎞。目前👨🏻‍🌾，堿性鋅空氣電池已經實現了在助聽器、交通信號燈等領域的商業化應用🦵🏻，並曾在電動汽車領域進行試點應用🧑🏻‍🍼。然而此類電池通常使用高濃度氫氧化鉀溶液作為電解液，導致了一系列問題：堿性電解液中💯，空氣正極的氧還原反應為氫氧根參與的4電子反應，其動力學較差，需要昂貴的鉑碳催化劑來加速此過程；高濃度的氫氧根會鈍化鋅負極👸🏼、產生枝晶🤘🏻、腐蝕電池組件，同時會與空氣中的二氧化碳反應阻塞正極🛵。這些問題使得堿性鋅空氣電池可逆性較差，無法在開放環境中穩定工作，製約了其規模化應用👫🏼。

鑒於此，2021年初，《Science》雜誌報道了一種基於中性電解液的全新鋅空氣電池體系，其空氣電極一側發生的是過氧化鋅可逆生成的兩電子反應。與傳統堿性鋅空氣電池相比（圖1）🪮，新型中性兩電子鋅空氣電池具有以下優勢：1🌛🔯、鋅負極利用率高🛫；2、正極可逆性好，電池循環穩定性強🏌️；3、副反應少🪫🧔🏼，電池可在空氣中穩定運行。然而👨🏽‍🦰，中性鋅空氣電池工況環境復雜，氣（空氣）-液（電解液）-固（過氧化鋅）三相都參與氧還原反應🎈🫀，導致反應動力學差。此外，充放電過程中生成的不導電固態放電產物（過氧化鋅）的積聚會導致催化材料上活性位點的覆蓋和傳質通道的堵塞🙅🏽‍♂️🙇🏼‍♂️，進一步造成器件性能的惡化。因此亟需開發高效的催化材料助力高性能中性鋅空氣電池的開發。

圖1：新型中性鋅空氣電池和傳統堿性鋅空氣電池的反應機製和優劣對比

為了解決上述問題，團隊發展了一種循序合成的策略，製備了一種二維介孔碳載單原子催化材料🧖‍♀️。此材料具有高度暴露的不對稱FeN₂S₂位點😌，可以高選擇性的催化兩電子氧還原反應🙋🏻。其次，高度石墨化二維介孔碳骨架可以高效的促進反應過程中物質（氧氣、電解液等）和電荷的傳輸擴散🤦🏽‍♀️。更重要的是，介孔孔道可以作為納米反應器，將固態放電產物（過氧化鋅）的尺寸限域到納米尺度（~6 nm），確保其在充放電過程中可以可逆的溶解和生成🖊，提升循環穩定性🚓。因此👮🏼，使用此材料組裝的兩電子中性鋅空氣電池表現出創紀錄的放電電壓（~1.20 V）和超高的循環穩定性（~400 h），甚至可以與傳統堿性鋅空氣電池相媲美。進一步結合同步輻射吸收譜學分析、精細結構表征與理論計算技術🧝🏿‍♀️，團隊解析了活性中心及催化動態過程，闡明了催化材料各組分的協同增效原理，揭示了催化反應機製🏋🏿‍♂️，建立了構效關系🏊🏻‍♀️，為高性能催化材料的創製提供了參考。

圖2：循序合成策略製備二維介孔碳載單原子催化材料的示意圖（a）。二維介孔碳載單原子催化材料的透射電鏡圖（b）🛝、高分辨透射電鏡圖（c）和球差校正透射電子顯微鏡圖（d）。使用二維介孔碳載單原子催化材料和對比樣品組裝的中性鋅空氣電池的恒流充放電曲線（e）。使用二維介孔碳載單原子催化材料組裝的中性鋅空氣電池與文獻報道的性能對比（f）。使用二維介孔碳載單原子催化材料組裝的中性鋅空氣電池與其他二次電池的性質比較（g）🤾🏿🧨。

該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委員會🚒、上海市科學技術委員會、沐鸣平台🆖、沐鸣开户🩷、材料科學系、先進材料實驗室和上海市分子催化和功能材料重點實驗室的大力支持。

       全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41893-024-01300-2