第一作者：Nayantara K. Wagh, Dong-Hyung Kim
通讯作者：Jung-Ho Lee
通讯单位：Hanyang University
研究内容：
可充电的水系锌空电池(ZACs)有望成为一种极其安全和高能量的技术。然而，它们仍然受到缓慢的电化学动力学和源自双功能催化剂与电解质之间副反应的不可逆性的显着限制。在此，作者报告了通过电子结构调控的方法，在氮化石墨碳框架（FeCoSAs@Co/N-GC）中优先构建以FeCo单/双原子构成的边缘位点为特征的界面结构，并整合Co位点。与商业化的Pt/C和RuO2相比，FeCoSAs@Co/N-GC显示出卓越的电化学性能和可逆的氧化还原动力学。除此之外，由于该催化剂界面上的协同效应和优先的电荷/质量转移，其在普遍的pH环境下（即碱性、中性和酸性）对ORR和OER具有耐久性。由FeCoSAs@Co/N-GC阴极构建的水系（碱性、非碱性和酸性电解质）ZACs能实现稳定运行，并且具有显着的可逆性和最高的能量密度，其在大气环境中的表现优于贵金属同类产品和最先进的ZACs。此外，柔性固态ZACs表现出优异的机械和电化学性能，其最高功率密度为186mW cm-2，比容量为817mAh gZn-1，能量密度为1017Wh kgZn-1，在极为苛刻的操作条件下循环寿命＞680次，这说明三相催化剂在绿色储能技术方面具有巨大潜力。
示意图1：本文中的示意图
要点一：
本文中，作者通过三步湿化学和恒温碳化过程合成了FeCoSAs@Co/N-GC异质结构催化剂，其可作为水系（即碱性、非碱性和酸性电解质）和固态ZACs的高效pH通用双功能ORR/OER催化剂。通过XRD、HRTEM、HAADF-STEM、XPS和EXAFS分析了FeCoSAs@Co/NGC的结构和形态特性。FeCoSAs@Co/N-GC具有独特的原子配位和电子结构，具有丰富的Fe-Nx、Co-Nx、Co-Co、Fe-Co和Co-C活性位点，这导致了其ORR/OER双功能性能的大幅提升。
要点二：
与碱性电解质中的商用Pt/C（E1/2= 0.84 V）和RuO2（ηj=10= 0.33 V）相比，FeCoSAs@Co/N-GC显示了ORR和OER的基准活性和稳定性（E1/2= 0.88 V，ηj=10= 0.29V）。值得注意的是，在通用pH范围下，混合框架也表现出令人钦佩的ORR和OER活性和稳定性。使用中性和酸性电解质的双功能氧反应具有最小过电位分别为0.72V、0.63V，这超过了贵金属基和报告的最先进的催化剂。此外，与Pt/C+RuO2相比，在碱性环境下构建的具有FeCoSAs@Co/N-GC阴极的ZACs在10mA cm-2下显示出>1200次循环的长寿命，功率密度为207mW cm-2。
要点三：
本文介绍了使用双三氟甲基磺酰亚胺（TFSI）阴离子衍生的锌盐作为电解质的非碱性ZACs。Zn基水系（ZnTFSI）电解质在中性pH值下具有极佳的保水能力，通过抑制副反应，提供了Zn的特殊可逆性，不会形成枝晶和界面结构。该非碱性ZACs提供了卓越的比容量（813mAh gZn-1）和耐用性（在5mAcm-2时>1800次循环），超过了碱性ZACs的表现。这为困扰碱性电池和其他全金属空气电池的电化学不可逆性提供了一个明确的解决方案。此外，固态柔性ZACs也显示出优异的性能（能量密度为1017Wh kgZn-1，循环寿命在50mA cm-2条件下>680次）和机械强度。具有FeCoSAs@Co/N-GC的酸性可逆ZACs具有75.2%的卓越能效，OCP为2.1V，功率密度为144mW cm-2，能量密度为1345Wh kgZn-1以及循环寿命>330次，这超越了传统的酸性二次电池。
图1.FeCo SAs@Co/N-GC催化剂的合成及表征。
图2.原子配位和电子特性的测量。
图3.在碱性和非碱性电解质下的氧双功能电化学性能。
图4.锌空气全电池在碱性电解质下的电化学性能
图5.锌空气全电池在非碱性电解质（Zn(TFSI)2）下的电化学性能。
图6.固态柔性锌空气全电池的电化学性能。
图7.酸性混合锌空气全电池的电化学性能。
参考文献：
Nayantara K. Wagh, Dong-Hyung Kim, Sung-Hae Kim, Sambhaji S. Shinde, and Jung-Ho Lee*. Heuristic Iron–Cobalt-Mediated Robust pH-Universal Oxygen Bifunctional Lusters for Reversible Aqueous and Flexible Solid-State Zn–Air Cells. ACSNano2021, doi.org/10.1021/acsnano.1c04471.
