【背景】

目前可充電鋅空氣電池（ZABs）因其理論能量密度高、安全性和可持續(xù)性高而被認為是未來電動汽車最具前景的技術。然而，ZABs的大規(guī)模商業(yè)應用仍然存在受到電催化劑性能的阻礙，尤其是在充放電過程中對氧還原反應 (ORR) 和析氧反應 (OER) 的過高過電位。開發(fā)高效、低成本且具有優(yōu)異電催化性能的雙功能電催化劑是非常必要的。

單原子催化劑（SACs），尤其是過渡金屬單原子催化劑（TM-SACs），由于其原子利用率極高，在堿性條件下表現(xiàn)出更好的ORR活性。然而，單金屬TM- SACs 對 OER 仍然不滿意，這是制備高效 ORR/OER 雙功能催化劑過程中的一個巨大挑戰(zhàn)。碳氣凝膠（CA）因其相互連接的孔隙率、高表面積、優(yōu)異的傳質性能和高導電性而被廣泛接受，是負載活性位點的最佳載體材料之一。在這種情況下，由 CA（Fe-Ni ANC@CA）支持的 Fe-Ni ANCs 可以實現(xiàn)穩(wěn)定的 OER 活性，同時保持其作為 ZAB 的 ORR 和 OER 的雙功能電催化劑的 ORR 活性。

【摘要】

中國科學院上海高等研究院 Zhengxing Lv 、浙江大學 田鶴研究員 、山東大學 張進濤 / 夏海兵教授 團隊共同 通過優(yōu)化熱解聚苯胺（ PANI）氣凝膠，成功地制備了 錨定在 N、S 共摻雜碳氣凝膠（Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑）上的 Fe-Ni 合金納米團簇（Fe-Ni ANCs） 。通過在單寧酸 (TA)、Fe ³⁺ 和 Ni ²⁺ 離子的共存下聚合苯胺單體 合成 PANI 水凝膠 ，并進行 冷凍干燥。合成 Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑的 TA、Fe ³⁺ 和 Ni ²⁺ 離子的最佳摩爾比為 1:2:5，可以 保證二維多孔碳片 ， 形成具有 2 至 2.8 nm 之間超小尺寸的高密度 Fe-Ni ANC。據(jù)作者所知，這些 由 N ₄ -Fe-O-Ni-N4 部分組成的 Fe-Ni ANCs 首次被提出作為一種新型活性物質 。由于其獨特的特性，F(xiàn)e-Ni ANC@NSCA 催化劑在半波電位 (E1/2) 為 0.891 V 的氧還原反應和析氧反應 (260 mV @ 10 mA cm ^{? 2} ) 中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。堿性介質作為雙功能催化劑， 優(yōu)于最先進的商業(yè) Pt/C催化劑和 RuO ₂ 催化劑 。此外，與 Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑組裝的鋅-空氣電池在 5 mA cm ^-2 下表現(xiàn)出卓越的性能和超過 500 小時的超高穩(wěn)定性 。文章“ Fe–Ni Alloy Nanoclusters Anchored on Carbon Aerogels as High-Efficiency Oxygen Electrocatalysts in Rechargeable Zn–Air Batteries ”發(fā)表在期刊 《S mall 》。

【主圖導讀】

示意圖1，具有均勻分布的 Fe-Ni 合金納米團簇（Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑）的 N、S 共摻雜碳氣凝膠的合成過程示意圖。 a) 將苯胺單體、Fe 前體、Ni 前體和 TA 依次添加到水溶液中。b) 在 HCl 存在下添加 APS 并進一步冷凍干燥成 PANI 氣凝膠后，通過苯胺單體的聚合形成 PANI 聚合物的 3D 水凝膠。在 3D PANI 水凝膠中，PANI 鏈通過 TA-Fe ³⁺ 配合物及其亞氨基相互連接，而 Ni ²⁺ 離子主要摻雜 PANI 聚合物的亞氨基，并被 TA-Fe ³⁺ 配 合物在一定程度上隔開。 c）通過PANI水凝膠的熱解和后處理獲得鑲嵌有幾乎均勻分布的高密度Fe-Ni ANCs的Fe-Ni ANC@NSCA催化劑。

圖1， A,D) 低倍率和 B) 高倍率 TEM 圖像，C) Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑的高分辨率 TEM 圖像，E) 高分辨率 TEM 圖像和 F) 單個 Fe-的 HAADF-STEM-EDS 映射圖像。單個 Fe-Ni ANC 中元素 Ni（黃色）和 Fe（紅色）的分布。

圖5， A) 碳布、Fe NC@NSCA 催化劑、Ni NP@NSCA 催化劑、Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑和商業(yè)RuO ₂ 催化劑在 1M KOH 溶液中的 OER 極化曲線。B) Fe NC@NSCA 催化劑、Ni NP@NSCA 催化劑、Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑和商業(yè)RuO ₂ 催化劑的 Tafel 圖。C) Fe NC@NSCA 催化劑、Ni NP@NSCA 催化劑、Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑和商業(yè)RuO ₂ 催化劑在 260 mV 過電位下的 EIS 光譜。D) Fe NC@NSCA 催化劑、Ni NP@NSCA 催化劑、Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑和商業(yè)RuO ₂ 催化劑的 ECSA。E) Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑和商用 RuO ₂ 催化劑 12 小時的計時電流曲線以評估其耐久性。F）Fe-Ni ANC@NSCA催化劑在15000次循環(huán)前后的OER極化曲線。

圖7， A) 與 Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑組裝的 ZAB 的示意圖模型。B) 放電極化和功率密度曲線，C) 在 10 mA cm ^-2 電流密度下測得的比容量，D) 充放電極化曲線，E) 5 mA cm ^-2 電流密度下的長期循環(huán)性能， F) 不同電流密度下由 Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑或 Pt/C + RuO ₂ 催化劑組裝的 ZAB 的恒電流放電圖。

參考文獻 ： doi.org/10.1002/smll.202102002

經典導讀：

1.《PNAS》西安交通大學盧同慶、哈佛大學鎖志剛院士：用于傷口閉合的水凝膠-網狀復合材料  

2. 《Joule》東華大學武培怡：雙網絡水凝膠熱電池具有非凡的韌性和高功率密度，可實現(xiàn)連續(xù)熱量收集

3. 《Nature Catalysis》四川大學肖丹/德州大學余桂華:單原子聚吡咯水凝膠!

4. 《Science》下一代可穿戴電子設備！指尖上的創(chuàng)可貼，血糖指數(shù)不用愁！

5.《AFM》東華大學葉長懷/朱美芳院士：超強/高電導芳綸納米纖維/PVA/納米銀水凝膠

6. 《AFM》上交大崔文國，蘇州大學顧勇/陳亮：明膠氧化葡聚糖+生物活性玻璃納米顆粒，一體化協(xié)助骨折固定和愈合

7. 《Adv. Mater.》浙江大學陳東/高翔：有吸引力的 Pickering 乳液凝膠

8.《AFM》華中師大朱成周、武漢工程文靜：PdBi單原子合金氣凝膠用于高效乙醇氧化

9.《AM》長春應化所賀超良、陳學思院士：兩性離子水凝膠包MOF膠囊，pH 響應自分解，用于高效口服 Exendin-4 遞送

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