有效地从化石燃料能源转换为可再生能源需要成本低廉、容量大、可充电的电池。锌空气电池 (ZAB) 理论上可以储存大量能量，但目前的技术需要使用昂贵的贵金属催化剂或加速化学反应的药剂，而这些药剂在充电和放电反应中表现不佳。

一种新型金属氮碳催化剂已被开发用于 ZAB，其性能优于贵金属催化剂，提高了 ZAB 技术的效率和实用性。ZAB 的功能是利用空气中的氧气氧化锌。最近的研究表明，结合不同非贵金属原子的催化剂可以提高放电反应速率和电池性能。

考虑到这一证据，湖南大学、伦敦大学学院和牛津大学的一组研究人员利用铁、钴和镍(分别为 Fe、Co 和 Ni)生成了一种非贵金属氮碳催化剂，以提高 ZAB 的充电、放电和成本效率。重要的是，该团队还优化了一种柔性碳点/聚乙烯醇 (CD/PVA) 薄膜作为固态 ZAB 电解质或转移带电原子的电池组件，从而创造出一种柔性、稳定的高性能电池，可用于可穿戴设备。

该团队于2024年5月17日在《纳米研究能源》杂志上发表了他们的研究成果。

“可充电金属空气电池是一种很有前途的电源，尤其是锌空气电池(ZAB)，它具有高理论能量密度 (1084 Wh kg −1 )、环境友好和成本效益。此外，可充电 ZAB 不仅安全稳定，而且便携可穿戴。目前，大量研究集中在可充电和柔性 ZAB 上，”牛津大学化学系研究员、论文资深作者兼项目负责人 Huanxin Li 表示。

ZAB 通过两种反应进行放电和充电：氧还原反应 (ORR) 和氧释放反应 (OER)。众所周知，这些反应非常缓慢，需要加速电化学反应的催化剂或电催化剂。虽然贵金属能够加速 ORR 和 OER，但成本、性能不佳以及需要两种不同的贵金属等问题限制了 ZAB 技术的整体实用性。

李博士说：“开发低成本、高效的双功能非贵金属电催化剂对于可充电 ZAB 的商业化至关重要。在各种非贵金属催化剂中，金属-氮-碳 (MNC) 纳米材料因其价格低廉、储量丰富、电化学活性优异和稳定性高而受到特别关注。”

然而，由于每个金属原子之间产生的相互作用力不同，制造由三种不同金属原子组成的电催化剂并非易事。为了解决这个问题，该团队使用了沸石咪唑骨架 (ZIF)，即围绕和排列三种金属原子 (Fe、Co 和 Ni) 的碳氮骨架，在高温下将催化原子均匀地锚定在多孔碳上。

研究团队通过能量色散X射线光谱(EDX)、球差校正高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(AC-HAADF-STEM)和电子能量损失谱(EELS)确认了 Fe、Co 和 Ni 原子的分布。

总体而言，三元 Fe-Co-Ni 电催化剂在氧还原和析出反应中的表现优于双金属电催化剂(FeNi、FeCo 和 CoNi)以及铂和钌两种贵金属电催化剂。该团队认为，三元电催化剂的所有三种金属原子都具有活性并协同作用以提高催化活性，其中 Fe 作为最丰富的原子对活性的贡献最大。电催化剂的多孔结构和增加的表面积可能也有助于增强催化活性。

总体而言，该团队的可充电 ZAB 在液体电解质中实现了 846.8 mAh·g Zn −1的比容量和 135 mW·cm –2的惊人功率密度。使用该团队优化的 CD/PVA 固态电解质，ZAB 还实现了60 mW·cm –2的功率密度，这超过了使用其他催化剂的固态 ZAB 的报道结果。

重要的是，研究中开发的 ZAB 既耐用又稳定，能够为风扇和 LED 屏幕供电，并为手机充电。研究人员希望他们的三元 Fe-Co-Ni 电催化剂和 CD/PVA 电解质将推动对实用、高性能 ZAB 技术的新催化剂和电解质的研究。

其他贡献者包括来自中国长沙湖南大学化工学院的秦世峰、曹梦雪和黄中原;来自英国伦敦大学学院化学系的李凯奇、何冠杰和 Ivan P. Parkin;以及来自中国铜仁贵州大龙汇成新材料有限公司的刘武华。

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