应用成果

【研究背景】

为实现碳中和和零碳排放目标，发展清洁和可再生能源技术意义重大。可充电锌-空气电池具有安全性高、零碳排放、理论能量密度高（1086 Wh kg-1）等优点，被认为是最有前途的电化学能量存储和转换器件之一。然而，缓慢的ORR和OER动力学造成了锌-空气电池充-放电电压极化现象严重，从而限制了其规模化应用。已商业化的Pt、Ru、Ir等贵金属基催化剂被视为ORR或者OER的基准的催化剂，但高昂的成本、单一功能性，以及有限的催化活性和稳定性使其仍难以满足锌-空气电池大规模化应用的要求。因此，发展新型且价格低廉、催化性能优异的多功能电催化剂迫在眉睫。

【文章简介】

近日，南方科技大学徐强教授和肖欣研究助理教授，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Spatially Immobilized PtPdFeCoNi as an Excellent Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Zinc-Air Battery”的研究论文。该研究文章提出了通过超快速焦耳加热工艺将高度分散的超细PtPdFeCoNi高熵合金纳米颗粒和随机分布的金属单原子固定在3D分级有序多孔氮掺杂碳骨架上的方法，所制备的高熵合金催化剂在可充电锌-空气电池中具有优异的性能。

图1. PtPdFeCoNi/HOPNC的制备示意图

图2. PtPdFeCoNi/HOPNC的结构表征图

图3. 催化剂的电化学性能表征图

图4. 催化剂的电化学性能表征图

图5. 组装的锌空气电池的性能图

【本文要点】

要点一：3D分级有序多孔氮掺杂碳骨架的构建有利于超细高熵合金颗粒和多金属单原子的均匀负载

构建的3D分级有序多孔氮掺杂碳骨架具有丰富的外表面和内表面，有利于超细PtPdFeCoNi高熵合金颗粒和多金属单原子的负载。同时，碳骨架中的氮位点对金属物种起到了显著的锚定作用，促成了金属单原子的形成和均匀分布。得益于多种活性位点的充分暴露，所合成的PtPdFeCoNi/HOPNC对ORR/OER具有优异的双功能催化性能。

要点二：微孔-介孔-大孔互联通道加快了传质过程

构建的3D分级有序多孔氮掺杂碳骨架中的微孔、介孔和大孔可以互联互通，促进了ORR和OER过程中物质的传输，具有了较低的ORR和OER塔菲尔斜率，实现了优异的催化反应动力学过程。

要点三：PtPdFeCoNi/HOPNC具有优异的双功能电催化活性

PtPdFeCoNi/HOPNC催化剂表现出优异的双功能电催化活性，具有较正的ORR半波电位（0.866 V vs. RHE）和较低的OER过电位（310 mV @ 10 mA cm-2）。将PtPdFeCoNi/HOPNC作为阴极催化剂组装的准固态锌-空气电池显示出233.94 mW cm-2的高功率密度、优异的倍率性能、低充-放电电压极化，在10 mA cm-2的充-放电电流密度下具有165 h的长循环寿命，超过了商用Pt/C-RuO2混合物。

【文章链接】

Spatially Immobilized PtPdFeCoNi as an Excellent Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Zinc-Air Battery

https://doi.org/10.1002/adfm.202414537

【通讯作者简介】

肖欣简介：南方科技大学研究助理教授，主要从事高效纳米功能材料的制备、电催化应用及构效关系的探究。共发表SCI论文50余篇，其中以第一作者及共同通讯作者的身份在Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Sci.、Chem、ACS Nano、Appl. Catal. B Environ.、Coord. Chem. Rev.等高水平期刊上发表学术论文18篇。

徐强简介：南方科技大学讲席教授，日本工程院院士，印度国家科学院院士，欧洲科学院院士。曾先后任日本国立产业技术综合研究所（AIST）首席研究员，AIST-京都大学能源化学材料开放创新实验室主任，神户大学、京都大学教授（兼）。2014-2023年连续入选汤森路透-科睿唯安全球高被引学者，曾获汤森路透研究前沿奖、洪堡研究奖，市村地球环境学术奖及配位化学会奖等。担任《EnergyChem》主编，《Coord. Chem. Rev.》副主编，《Chem》、《Matter》、《Adv. Energy Mater.》、《Chem. Asian J. 》等期刊编委。目前主要致力于金属有机框架及衍生物等材料的可控制备及其在催化、能源及环境等领域的应用。

【课题组招聘】

根据课题组发展需求，课题组长期招聘光/电催化、传感、电池、理论计算以及电镜表征方向的博士后，应聘者请将材料发至：xuq@sustech.edu.cn。

【核心仪器】

本文在制备高熵合金纳米颗粒和金属单原子催化剂过程中使用的焦耳加热装置型号为JH3.3-P（合肥原位科技有限公司）。

焦耳加热装置是一种新型快速热处理/合成的设备，该设备可使材料在极短（毫秒级/秒级）时间内达到极高的温度（1000~3000℃），升温速率最快可达到10000k/s；通过对材料的极速升温，可考察材料在极端环境、剧烈热震情况下的物性改变，可通过极速升降温制备纳米尺度颗粒，单原子催化剂，高熵合金等。目前广泛应用在电池材料、催化剂、碳材料、陶瓷材料、金属材料、塑料降解、生物质等领域。