不對稱三核位點偶聯策略助力可逆氧電催化

安徽理工大學材料科學與工程學院教授張雷團隊在電催化材料的設計、合成及性能調控領域取得了重要進展。張雷提出了一種創新策略，構建了含有鐵單原子、鐵團簇與鎳單原子的非對稱三核位點。通過成分和尺寸的不對稱耦合設計，成功制備出鐵團簇-鐵單原子-鎳單原子@氮摻雜碳類手風琴狀多級結構，并證實該材料可用于可充電鋅空氣電池的空氣陰極。相關研究成果近日發表于《先進功能材料》。

鐵團簇-鐵單原子-鎳單原子@氮摻雜碳類手風琴狀多級結構示意圖。安徽理工大學供圖

電池技術因其高效率、便攜性及靈活適配各類能源需求的特性而備受關注。在眾多電池系統中，可充電鋅空氣電池憑借其低成本、易生產以及高理論能量密度等優勢，成為儲能技術的熱門選擇。此外，其可充電特性使其在環保方面優于傳統干電池。

“開發高效且穩定的氧還原與氧析出雙功能電催化劑是實現可充電鋅空氣電池技術的關鍵。然而，由于不同催化反應的反應機理與動力學過程各異，通常需要不同的活性位點進行催化。以往由于結構設計不合理，單一活性中心的催化劑難以同時實現高效的氧還原和氧析出反應。”張雷在接受《中國科學報》采訪時表示，基于此，開發高效催化劑作為雙功能氧電極對可充電鋅空氣電池的發展具有重要意義。

不對稱三核位點（鐵單原子、鐵團簇、鎳單原子）如同一個蘊含深邃穩定奧秘的微觀三角形架構。在這一獨特體系中，鐵單原子、鐵團簇與鎳單原子各占據關鍵位置，恰似三角形的三個頂點，它們相互作用、相互支撐，形成穩定且高效的協同關系。其穩定性源于三條邊的相互制約與平衡，而不對稱三核位點的穩定性則得益于三個不同組分和尺寸的精妙組合。鐵單原子以其獨特的電子結構和催化活性，為整個體系奠定了基礎，猶如三角形底邊般堅實可靠地支撐起整體架構；鐵團簇憑借協同作用及較強的活性中心，如同三角形的一條斜邊，增強了體系活性與穩定性的聯動；鎳單原子作為調控中心，恰似另一條斜邊，通過巧妙調控電子結構，使整個位點性能達到最優平衡。

張雷進一步指出：“在此次研究中，成分與尺寸各異的鐵單原子、鐵團簇和鎳單原子被負載于手風琴狀二維納米片的多層結構中，并非單一的單原子或團簇單獨發揮作用，而是它們之間的協同效應實現了催化性能的提升。”該催化劑不僅具備優異的導電性和多孔結構，還顯著促進了物質與電荷的快速傳輸。此外，三核位點中的鎳單原子成分能夠巧妙調控鐵位點的局部電子結構，從而增強可逆氧電催化的活性。

張雷表示：“該研究為開發強效的原子-團簇納米雜化電催化劑提供了新視野，對可再生能源技術未來的應用具有重要意義。”

相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.202414379