能源是人類文明進(jìn)步和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來，隨著化石能源的逐漸消耗和日益突出的環(huán)境污染問題，人類對綠色、清潔、可再生能源的需求急劇增長。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(zhuǎn)換技術(shù)的開發(fā)已成為研究的前沿領(lǐng)域。其中，鋅-空氣電池使用水系電解液具有低成本、安全、環(huán)境友好的優(yōu)勢，理論能量高達(dá)1084Wh/kg，有望成為新一代儲能設(shè)備。根據(jù)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(yīng)（ORR），而充電過程涉及析氧反應(yīng)（OER）。目前Pt基催化劑是優(yōu)良的ORR催化劑，Ir和Ru基催化劑在OER反應(yīng)中具有優(yōu)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(wěn)定性差，且功能單一。因此，開發(fā)低成本、高效、穩(wěn)定的非貴金屬催化劑對于鋅-空氣電池的商業(yè)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(jié)構(gòu)。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(lǐng)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(yōu)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(yīng)中具有優(yōu)于Pt基催化劑的性能，表現(xiàn)出更高的半波電位、更大的極限電流密度和擴(kuò)散電流密度。

近日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所孫春文課題組副研究員韓軍興等人基于金屬-有機(jī)框架材料（MOF）包覆和高溫裂解技術(shù)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(jī)配體（Phen），通過與Fe2+離子配位形成有機(jī)復(fù)合物（Fe-Phen）。在MOF晶體生長過程中，有機(jī)復(fù)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(jīng)過900℃高溫焙燒后得到單原子分散的Fe基催化劑。電化學(xué)測試結(jié)果表明單原子Fe基催化劑在ORR反應(yīng)中的半波電位高達(dá)0.91V，比傳統(tǒng)的Pt/C催化劑高90mV，并且優(yōu)于目前文獻(xiàn)中報道的絕大多數(shù)催化劑；電化學(xué)活性表面積約是商業(yè)Pt/C催化劑的兩倍。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(dá)1.51V，優(yōu)于Pt/C催化劑（1.45V）；功率密度達(dá)到96.4mWcm-2；以10mAcm-2的電流密度進(jìn)行放電，一次鋅-空氣電池可以在1.28V的放電電壓下穩(wěn)定運行2000min以上。

除了表現(xiàn)出優(yōu)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，Ej10與E1/2的電位差為0.92V，小于貴金屬復(fù)合催化劑（Pt/C+RuO2）的（0.94V）。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10mAcm-2的電流密度下可以穩(wěn)定運行超過250h。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1mAcm-2的電流密度下可以穩(wěn)定運行超過120h。

相關(guān)研究成果以Single-AtomFe-Nx-CasanEfficientElectrocatalystforZinc-AirBatteries為題發(fā)表在最新一期的《先進(jìn)功能材料》（AdvancedFunctionalMaterials）上。該項工作得到科技部國家重點研發(fā)計劃（2016YFA0202702）和國家自然科學(xué)基金（51672029,51372271）的經(jīng)費支持。