一支研究团队揭示了在提升锌空气电池（ZABs）性能方面的突破，该电池是一种重要的能源存储技术。这一突破涉及一种新催化剂，显著提高了氧还原反应（ORR）的效率，这是ZABs中的一个关键过程。这一发展可能导致更高效、持久的电池用于实际应用。
氧还原反应是许多能源转换设备中的关键步骤，包括ZABs。然而，该反应常常因动力学缓慢而受限，这限制了电池的性能。为了解决这个问题，通常使用基于铂的催化剂，但它们昂贵、稀缺，并且可能会被杂质中毒。研究人员一直在寻找既经济又高效的替代品。本研究集中在一种称为双原子催化剂（DACs）的新型催化剂上，它由两个紧密配对的金属原子组成，以增强催化活性。
该团队由东北大学先进材料研究所（WPI-AIMR）的助理教授张迪领导，使用了计算建模和实验技术相结合的方法，设计并创建了一种由铁（Fe）和钴（Co）构成的双原子催化剂，这两种金属与氮（N）和碳（C）结合形成多孔结构。这种名为Fe1Co1-N-C的催化剂被确定为在碱性条件下进行氧还原反应的最佳催化剂。材料的独特组合使得催化剂能够高效运作，使其成为在ZABs中使用的有前景的候选者。
研究人员通过首先使用模型预测pH（酸度）如何影响反应，从而设计了Fe1Co1-N-C催化剂。这指导他们创建具有最大效率的催化剂的理想特性。随后，他们采用一种涉及硬模板和二氧化碳活化过程的方法合成催化剂，以创造具有小孔的结构。这些孔对于允许反应物通过材料移动至关重要，从而提高整体催化性能。
研究结果令人印象深刻。Fe1Co1-N-C催化剂显示出显著高于常用铂催化剂（Pt/C）的氧还原活性。在实际应用中，基于Fe1Co1-N-C的锌空气电池表现出1.51伏的高开路电压，这意味着它们可以产生大量能量。此外，电池显示出1079瓦时每千克锌（Wh kgZn-1）的能量密度，这是能源存储能力的优秀指标。
除了高电压和能量密度，基于Fe1Co1-N-C的电池还展示了卓越的速率能力，这意味着它们在高电流密度下依然表现良好——范围从2到600毫安每平方厘米（mA cm-2）。更值得注意的是，这些电池展现出超长的寿命，在适中的电流下持续超过3600小时并完成7200个循环，远远优于大多数其他电池。
张解释道：“这项工作为设计和合成可以用于现实应用的催化剂提供了高效和合理的策略。通过将理论模型与实际合成方法相结合，我们能够开发出显著提升锌空气电池性能的催化剂。”
展望未来，张和他的团队计划继续研究，开发更先进的方法以创造具有精确原子配对的双原子催化剂。他们还打算增强识别催化剂中特定活性位点的技术。这些努力旨在进一步优化能源转换技术的性能，使其在广泛使用中更加高效和经济。
该研究得到了东北大学支持计划的资助，本研究的关键发现可在数字催化平台上获得，该平台是由李浩实验室开发的，旨在帮助发现和开发新催化剂。
