不对称三核位点偶联策略助力可逆氧电催化

安徽理工大学材料科学与工程学院教授张雷团队在电催化材料的设计、合成及性能调控领域取得了重要进展。张雷提出了一种创新策略，构建了含有铁单原子、铁团簇与镍单原子的非对称三核位点。通过成分和尺寸的不对称耦合设计，成功制备出铁团簇-铁单原子-镍单原子@氮掺杂碳类手风琴状多级结构，并证实该材料可用于可充电锌空气电池的空气阴极。相关研究成果近日发表于《先进功能材料》。

铁团簇-铁单原子-镍单原子@氮掺杂碳类手风琴状多级结构示意图。安徽理工大学供图

电池技术因其高效率、便携性及灵活适配各类能源需求的特性而备受关注。在众多电池系统中，可充电锌空气电池凭借其低成本、易生产以及高理论能量密度等优势，成为储能技术的热门选择。此外，其可充电特性使其在环保方面优于传统干电池。

“开发高效且稳定的氧还原与氧析出双功能电催化剂是实现可充电锌空气电池技术的关键。然而，由于不同催化反应的反应机理与动力学过程各异，通常需要不同的活性位点进行催化。以往由于结构设计不合理，单一活性中心的催化剂难以同时实现高效的氧还原和氧析出反应。”张雷在接受《中国科学报》采访时表示，基于此，开发高效催化剂作为双功能氧电极对可充电锌空气电池的发展具有重要意义。

不对称三核位点（铁单原子、铁团簇、镍单原子）如同一个蕴含深邃稳定奥秘的微观三角形架构。在这一独特体系中，铁单原子、铁团簇与镍单原子各占据关键位置，恰似三角形的三个顶点，它们相互作用、相互支撑，形成稳定且高效的协同关系。其稳定性源于三条边的相互制约与平衡，而不对称三核位点的稳定性则得益于三个不同组分和尺寸的精妙组合。铁单原子以其独特的电子结构和催化活性，为整个体系奠定了基础，犹如三角形底边般坚实可靠地支撑起整体架构；铁团簇凭借协同作用及较强的活性中心，如同三角形的一条斜边，增强了体系活性与稳定性的联动；镍单原子作为调控中心，恰似另一条斜边，通过巧妙调控电子结构，使整个位点性能达到最优平衡。

张雷进一步指出：“在此次研究中，成分与尺寸各异的铁单原子、铁团簇和镍单原子被负载于手风琴状二维纳米片的多层结构中，并非单一的单原子或团簇单独发挥作用，而是它们之间的协同效应实现了催化性能的提升。”该催化剂不仅具备优异的导电性和多孔结构，还显著促进了物质与电荷的快速传输。此外，三核位点中的镍单原子成分能够巧妙调控铁位点的局部电子结构，从而增强可逆氧电催化的活性。

张雷表示：“该研究为开发强效的原子-团簇纳米杂化电催化剂提供了新视野，对可再生能源技术未来的应用具有重要意义。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.202414379