具有 M-N4 構型的單原子催化劑在氧電催化方面大有可為，因此受到了廣泛的研究。然而，它們在鋅-空氣電池中的實際套用仍然受到較差的活性和耐久性阻礙。
在此， 武漢理工大學麥立強團隊 透過簡單地熱解金屬酞菁和N摻雜的碳前驅體，開發出了一種含有 Fe 納米簇的雙金屬單原子 NiFe-N-C 催化劑。研究表明，Ni-N4 和 Fe-N4 配位結構以及相鄰耦合鐵納米團簇的共存和電子協同作用，調節了催化活性位點的電子結構，最佳化了它們對含氧中間產物的吸附/解吸，加速了反應動力學，降低了氧電催化的能量勢壘。
因此，NiFe-N-C 具有競爭性的氧催化/還原反應（OER/ORR）活性和耐久性，∆E 為 0.68 V，E1/2 和 Ej10 在 50 000 和 90 000 電位迴圈後的衰減可忽略不計。此外，基於 NiFe-N-C 電催化劑的鋅-空氣電池具有高功率密度、高比放電容量和超長壽命。
圖1. 電化學效能
總之，該工作設計並合成了一種具有Ni-N4和Fe-N4位元的雙金屬單原子NiFe-N-C催化劑。研究表明，NiFe-N-C中的Fe納米團簇和Ni-N4以及Fe-N4活性位點的電子協同作用最佳化了含氧中間體，降低氧電催化的能壘。因此，它表現出優異的雙功能OER/ORR效能與超小∆E=0.68 V。
此外，以NiFe-N-C電催化劑為空氣正極的可充鋅空氣電池在251 mA cm-2的電流密度下表現出153 mW cm-3的高功率密度，在10 mAcm-2的電流密度下具有818 mAh g-1的高比放電容量，以及在10 mAcm-2的電流密度下具有750h的超長迴圈壽命。因此，該工作為OER/ORR過程中金屬納米簇和單原子位點的協同電子調節提供了新的見解，並激發了高效雙功能氧電催化劑的合理設計。
圖2. 電池效能
Optimizing Electronic Synergy of Atomically Dispersed Dual-Metal Ni-N4 and Fe-N4 Sites with Adjacent Fe Nanoclusters for High-efficiency Oxygen Electrocatalysis, Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/d3ee03383j
