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陳忠偉/劉桂華/武蘭蘭Adv. Sci.：用于鋅空氣電池的高效耐用ORR電催化劑

金屬氧化物負載的非貴金屬的合理設計對于開發穩定高效的氧還原反應（ORR）電催化劑至關重要。3D有序大孔（3DOM）材料具有比表面積大、傳質效率高、結構穩定性好等優點，開發具有大孔結構的缺氧金屬氧化物載體復合材料是設計高效、耐用的ORR催化劑的一種很有前途的策略。

在此，加拿大滑鐵盧大學陳忠偉院士及河北工業大學劉桂華、武蘭蘭等人開發了一種高效的ORR催化劑（3DOM Fe/Co@NC-WO_2-x），該催化劑由缺陷氧化鎢支撐的二元Fe/Co納米團簇和具有3D有序大孔結構的嵌入N摻雜碳層（NC）組成。3DOM架構設計不僅提供了高表面積以暴露活性位點，而且還加速了固體-電解質-氣體反應界面處的質量傳輸。

NC-WO_2-x載體提高了催化劑的導電性，同時為負載的Fe/Co納米團簇提供了豐富的錨定位點。拉曼、電子順磁共振 (EPR) 和XPS分析證明，與未經氨處理的樣品（3DOM Fe/Co@C-WO_2-x）相比，氨處理會導致更多缺陷從而提高ORR活性。

圖1. 3DOM Fe/Co@NC-WO_2-x組裝的鋅空氣電池性能

此外，理論計算表明，在負載的Fe/Co二元簇中，電子從Fe轉移到Co存在協同效應，促進了ORR反應的能量學。因此，3DOM Fe/Co@NC-WO_2-x催化劑在堿性介質中表現出優異的ORR活性，其半波電位（E_1/2）比Pt/C（0.85 V）高0.87 V。

基于3DOM Fe/Co@NC-WO_2-x組裝的鋅空氣電池正極提供比Pt/C更高的功率密度（165.1 mW cm^-2）和比容量（757 mAh g^-1），組裝的柔性鋅空氣電池可提供28.2 mW cm^-2的峰值功率密度，表明其在實際應用中的潛力。本文提供了一種結合協同二元金屬納米團簇和導電金屬氧化物載體設計的新策略，以開發高效耐用的ORR電催化劑。

圖2. 柔性鋅空氣電池的結構及性能

Synergistic Binary Fe–Co Nanocluster Supported on Defective Tungsten Oxide as Efficient Oxygen Reduction Electrocatalyst in Zinc-Air Battery, Advanced Science 2021. DOI: 10.1002/advs.202104237

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