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陳忠偉/劉桂華/武蘭蘭Adv. Sci.: 結構調控加摻雜，性能提升頂呱呱！3DOM Fe/Co@NC-WO2- x用于鋅空電池

氧還原反應(ORR)是如燃料電池和金屬-空氣電池等許多電化學能量轉換技術中的重要過程。然而，陰極發生的ORR反應是一個多步過程，并且動力學緩慢，這限制了燃料電池和金屬空氣電池的輸出功率。因此，催化劑的合理設計對于開發穩定高效的氧還原反應(ORR)至關重要。

近日，滑鐵盧大學陳忠偉、河北工業大學劉桂華和武蘭蘭等制備了一種高效且穩定的3D有序大孔結構ORR催化劑，該催化劑由負載在缺陷氧化鎢上的二元Fe/Co納米團簇和N摻雜的碳層組成(3DOM Fe/Co@NC-WO_{2- x})。

3DOM結構的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遞。

另外，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X射線光電子能譜(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，從而促進ORR活性。

此外，密度泛函理論(DFT)計算表明，與單金屬Fe或Co在N摻雜WO_2-x載體上的催化劑(3DOM Fe@NC-WO_2-x和3DOM Co@NC-WO_2-x)相比，二元Fe和Co在N摻雜WO_2-x載體上的協同作用可以降低關鍵ORR反應步驟的能量，導致了3DOM Fe/Co@NC-WO_2-x催化劑的高活性。

因此，優化的3DOM Fe/Co@NC-WO_2-x的ORR半波電位E_1/2為0.87 V，與Pt/C相當。值得注意的是，采用3DOM Fe/Co@NC-WO_2-x作為正極的鋅-空氣電池(ZAB)的性能顯著提高，比容量為757 mA hg_Zn^-1，能量密度為968.96 Wh kg^-1，優于Pt/C基準催化劑。該工作為合理設計具有高效和持久ORR反應的金屬氧化物負載二元金屬基電催化劑提供了一種新思路。

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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