水分解、燃料電池、金屬-空氣電池等高效、低成本能量存儲與轉換技術的開發已成為研究的前沿領域。

其中，鋅-空氣電池使用水系電解液具有低成本、安全、環境友好的優勢，理論能量高達1084 Wh/kg，有望成為新一代儲能設備。根據使用需求，鋅-空氣電池可以做成一次電池、可充放電電池以及柔性電池。

鋅-空氣電池的放電過程涉及氧還原反應（ORR），而充電過程涉及析氧反應（OER）。

目前Pt基催化劑是優良的ORR催化劑，Ir和Ru基催化劑在OER反應中具有優異的催化性能，但是鉑族元素在地殼中儲量稀少、價格昂貴，穩定性差，且功能單一。因此，開發低成本、高效、穩定的非貴金屬催化劑對于鋅-空氣電池的商業化推廣具有重要意義。

單原子催化劑具有高的本征活性、最大化的原子利用效率以及特定的催化劑結構。近年來，基于單原子催化劑的制備、表征和催化性能研究成為能源、材料和催化領域的研究熱點。

非貴金屬的Fe基、Co基、Ni基、Mn基單原子催化劑顯示出優異的電催化性能，有望成為鉑族貴金屬催化劑的替代材料。特別是Fe基單原子催化劑在堿性條件下的ORR反應中具有優于Pt基催化劑的性能，表現出更高的半波電位、更大的極限電流密度和擴散電流密度。

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所孫春文課題組副研究員韓軍興等人基于金屬-有機框架材料（MOF）包覆和高溫裂解技術成功制備了單原子Fe基催化劑。

該工作以二價的FeSO₄作為Fe前軀體；1,10-鄰菲羅啉作為有機配體（Phen），通過與Fe²⁺離子配位形成有機復合物（Fe-Phen）。

在MOF晶體生長過程中，有機復合物分子（Fe-Phen）被原位包覆在具有分子尺寸的納米腔體中，彼此被MOF骨架隔離開。

在Ar氣氛下經過900℃高溫焙燒后得到單原子分散的Fe基催化劑。

電化學測試結果表明單原子Fe基催化劑在ORR反應中的半波電位高達0.91 V，比傳統的Pt/C催化劑高90 mV，并且優于目前文獻中報道的絕大多數催化劑；

電化學活性表面積約是商業Pt/C催化劑的兩倍。

a) 一次鋅-空氣電池結構示意圖；b) 不同催化劑制備的電池的開路電壓隨時間的變化曲線；c) 電池功率密度特性；d) 電池放電曲線；e) 在10 mA cm^-2的電流密度下電池恒流放電曲線；f) 展示鋅-空氣電池可以為電子手表供電。

將單原子Fe基催化劑用作一次鋅-空氣電池的正極催化劑，電池開路電壓高達1.51 V，優于Pt/C催化劑（1.45 V）；

功率密度達到96.4 mW cm^-2；以10 mA cm^-2的電流密度進行放電，一次鋅-空氣電池可以在1.28 V的放電電壓下穩定運行2000 min以上。

?a) 柔性可折疊鋅-空氣電池示意圖；b) 在1 mA?cm^-2的電流密度下電池充放電曲線；c) 柔性鋅-空氣電池的折疊性能測試；d) 串聯的兩組柔性鋅-空氣電池為發光二極管陣列供電。

除了表現出優異的ORR催化性能外，單原子Fe基催化劑還具有較好的雙功能（ORR/OER）催化特性，E_j10與E_1/2的電位差為0.92 V，小于貴金屬復合催化劑（Pt/C+RuO₂）的（0.94 V）。

將單原子Fe基催化劑用作可充放電鋅-空氣電池的正極，鋅-空氣電池在10 mA cm^-2的電流密度下可以穩定運行超過250 h。將單原子Fe催化劑用作柔性可折疊鋅-空氣電池的正極，電池在1 mA cm^-2的電流密度下可以穩定運行超過120 h。

Han J, Meng X, Lu L, et al. Single‐Atom Fe‐Nx‐C as an Efficient Electrocatalyst for Zinc–Air Batteries[J]. Advanced Functional Materials, 2019: 1808872.