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劉習奎課題組AEM：ΔE為0.59 V！具有Fe?N4和NiOx納米粒子的FePc-PI用于可逆氧電催化

鋅-空氣電池因其潛在的高能量密度、優(yōu)異的安全性、低成本和環(huán)境友好性而受到人們的廣泛關注。迄今為止，最先進的Pt和Ru(Ir)基催化劑分別在催化氧還原反應(ORR)和析氧反應(OER)方面具有最高的活性，但它們的高成本、穩(wěn)定性差和單功能活性的缺點限制了它們潛在的商業(yè)化應用。因此，設計和開發(fā)高效、耐用和廉價的加速緩慢氧反應動力學的雙功能電催化劑是非?？扇〉摹?/span>

許多研究表明ORR/OER雙功能電催化性能與其化學和物理結構密切相關，但目前許多氧電催化劑是通過高溫熱解產生的，這可能導致不良的結構變化和破壞原有的精細結構，使電催化機制不明晰。因此，構建無裂解非貴金屬雙功能電催化劑的明確結構，以可控的方式獲得優(yōu)異的活性具有重要意義。

基于此，四川大學劉習奎課題組通過原位生長在KB載體上構建了一種具有Fe?N₄位點的新型的亞胺連接的金屬酞菁骨架(FePc-PI)，并引入超細氧化鎳納米顆粒(NiO_x@FePc-PI/KB)以誘導ORR和OER的雙功能電催化活性。

酞菁分子與共軛多孔擴展結構的結合使得原子分散的Fe?N₄位點得以均勻分布；豐富的氧官能團和微孔結構有助于超細氧化鎳納米顆粒的高度分散，從而為ORR和OER構建了一個雙功能活性中心。

實驗結果表明，所制備的NiO_x@FePc-PI/KB催化劑具有超高的可逆氧雙功能活性，其ΔE僅為0.59 V，明顯優(yōu)于Pt/C + RuO₂(ΔE=0.77 V)和目前報道的大多數(shù)雙功能電催化劑。此外，利用NiO_x@FePc-PI/KB催化劑組裝的可充電鋅-空氣水電池具有232.9 mW cm^?2的高峰功率密度和1400次循環(huán)的長期循環(huán)耐久性；同時，組裝的柔性全固態(tài)鋅-空氣電池在不同的平/彎/平狀態(tài)下表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)性能，展示了其在實際應用中的良好前景。

總之，這項工作通過同時引入單原子和納米粒子來調整高效催化劑的電子結構，刷新了雙功能氧電催化的記錄，展示了有機共軛材料在實用價值可持續(xù)能量轉換和存儲設備方面的應用潛力。

A Stable Imide-Linked Metalphthalocyanine Framework with Atomically Dispersed Fe-N₄ Sites and Ultrafine Nickel Oxide Nanoparticles to Boost Reversible Oxygen Electrocatalysis with a Record-Low ΔE of 0.59 V. Advanced Energy Materials, 2023. DOI: 10.1002/aenm.202300325

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