氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）是金属空气电池工作过程中的关键反应，其反应速率和稳定性直接决定了金属空气电池的性能和寿命。传统的ORR和OER反应严重依赖Pt系贵金属催化剂，高昂的成本限制了其大规模应用。近年来，单原子催化剂由于其高效的原子利用率和可调节的局域结构而受到了广泛关注，而众多具有M-N-C结构的非贵金属单原子催化剂表现出了优异的ORR催化活性，被认为是最具潜力的Pt系催化剂替代品。然而，如何实现金属空气电池运行过程中所涉及的ORR/OER双功能催化反应，对于单原子催化剂来说仍然是一个重大挑战。

针对这一问题，西安交通大学材料学院柳永宁教授课题组谭强副教授采用溶剂热自组装策略成功制备了双金属（Fe、Co）共掺杂的沸石咪唑酯骨架（ZIF-8）前驱体，通过优化活性位点生成条件获得了具有活性位点原子尺度分布的分级多孔结构的高性能ORR/OER双功能催化剂。该催化剂在碱性介质中显示出了优异的双功能催化活性（ORR：E_1/2=0.877 Vvs. RHE；OER：E_j=10=1.579 Vvs. RHE；ΔE=702 mV），其催化活性和稳定性可与贵金属催化剂（Pt/C和RuO₂，ΔE=666 mV）相媲美。球差校正透射电镜、X射线精细结构谱和密度泛函理论计算的研究结果表明，催化剂的表面的FeCo-N₆双金属原子配位结构是ORR/OER双功能反应的主要活性位点，其特殊的分级多孔结构进一步增强了其催化性能。以该催化剂组装的水系锌空气电池（P_max=372 mW cm^-2）和柔性锌空气电池（P_max=158 mW cm^-2）均表现出优异的功率密度和电池循环稳定性。这项工作为高性能非贵金属双功能催化剂的设计和催化机理研究提供了新的思路。

(a)球差电镜扫描透射图（红色圆圈标记为双原子位点，黄色圆圈标记为单原子位点）。(b)EXAFS光谱拟合曲线与FeCo-N₆活性位点模型。(c，d)水系锌空气电池结构示意图和电池性能曲线。(e，f)柔性锌空气电池结构示意图和电池性能曲线。

近日，该研究成果以Atomically Dispersed Fe-Co Dual Metal Sites as Bifunctional Oxygen Electrocatalysts for Rechargeable and Flexible Zn-Air Batteries为题，发表于催化类著名期刊ACS Catalysis（ACS Catal.2022, 12, 1216–1227）。西安交通大学材料学院博士生何玉婷，纽约州立大学布法罗分校杨晓轩，西北工业大学李云松副教授为论文共同第一作者，柳永宁教授和谭强副教授为论文通讯作者，西安交通大学为第一通讯作者单位。纽约州立大学布法罗分校武刚教授，西北工业大学刘峰教授团队为本研究提供了催化机理研究和密度泛函理论计算的有力支持。此前，该团队硕士研究生李晓航以硫修饰的含氮二维材料为前驱体，利用CVD策略制备得到了具有高性能ORR催化活性的Fe-N₃/S-C单原子催化剂（ACS Catal.2021. 11. 7450-7459），以该催化剂组装的柔性直接甲醇燃料电池表现出了高耐毒性、长寿命、可弯折等优点（ACS Sustainable Chem. Eng.2021. 45. 15138-15146）。显示了单原子催化剂在燃料电池、金属空气电池等新型化学电源领域的巨大应用潜力。

该研究工作得到了国家自然科学基金、西安交通大学基础研究计划的资助。论文的表征及测试得到了西安交通大学分析测试共享中心、材料学院分析测试中心、以及西北工业大学分析测试中心的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c04550