能源是人类文明进步和发展的物质基础。近年来，随着化石能源的逐渐消耗和日益突出的环境污染问题，人类对绿色、清洁、可再生能源的需求急剧增长。水分解、燃料电池、金属-空气电池等高效、低成本能量存储与转换技术的开发已成为研究的前沿领域。其中，锌-空气电池使用水系电解液具有低成本、安全、环境友好的优势，理论能量高达1084 Wh/kg，有望成为新一代储能设备。根据使用需求，锌-空气电池可以做成一次电池、可充放电电池以及柔性电池。锌-空气电池的放电过程涉及氧还原反应（ORR）,而充电过程涉及析氧反应（OER） 。目前Pt基催化剂是优良的ORR催化剂，Ir和Ru基催化剂在OER反应中具有优异的催化性能，但是铂族元素在地壳中储量稀少、价格昂贵，稳定性差，且功能单一。因此，开发低成本、高效、稳定的非贵金属催化剂对于锌-空气电池的商业化推广具有重要意义。
单原子催化剂具有高的本征活性、最大化的原子利用效率以及特定的催化剂结构。近年来，基于单原子催化剂的制备、表征和催化性能研究成为能源、材料和催化领域的研究热点。非贵金属的Fe基、Co基、Ni基、Mn基单原子催化剂显示出优异的电催化性能，有望成为铂族贵金属催化剂的替代材料。特别是Fe基单原子催化剂在碱性条件下的ORR反应中具有优于Pt基催化剂的性能，表现出更高的半波电位、更大的极限电流密度和扩散电流密度。
近日，在中国科学院北京纳米能源与系统研究所孙春文研究员课题组，韩军兴副研究员等人基于金属一有机框架材料（MOF）包覆和高温裂解技术成功制备了单原子Fe基催化剂。该工作以二价的FeSO4作为Fe前躯体；1,10-邻菲罗啉作为有机配体（Phen），通过与Fe2+离子配位形成有机复合物（Fe-Phen）。在MOF晶体生长过程中，有机复合物分子（Fe-Phen）被原位包覆在具有分子尺寸的纳米腔体中，彼此被MOF骨架隔离开。在Ar气氛下经过900℃高温焙烧后得到单原子分散的Fe基催化剂。电化学测试结果表明单原子Fe基催化剂在ORR反应中的半波电位高达0.91 V，比传统的Pt/C催化剂高90 mV，并且优于目前文献中报道的绝大多数催化剂；电化学活性表面积约是商业Pt/C催化剂的两倍。将单原子Fe基催化剂用作一次锌-空气电池的正极催化剂，电池开路电压高达1.51 V，优于Pt/C催化剂（1.45 V）；功率密度达到96.4 mW cm-2；以10 mA cm-2的电流密度进行放电，一次锌-空气电池可以在1.28 V的放电电压下稳定运行2000 min以上。
图1. a) 一次锌-空气电池结构示意图； b) 不同催化剂制备的电池的开路电压随时间的变化曲线； c) 电池功率密度特性；d) 电池放电曲线；e) 在10 mA cm-2的电流密度下电池恒流放电曲线；f) 展示锌-空气电池可以为电子手表供电。
除了表现出优异的ORR催化性能外，单原子Fe基催化剂还具有较好的双功能（ORR/OER）催化特性，Ej10与E1/2的电位差为0.92 V，小于贵金属复合催化剂（Pt/C+RuO2）的（0.94 V）。将单原子Fe基催化剂用作可充放电锌-空气电池的正极，锌-空气电池在10 mA cm-2的电流密度下可以稳定运行超过250 h。将单原子Fe催化剂用作柔性可折叠锌-空气电池的正极，电池在1 mA cm-2的电流密度下可以稳定运行超过120 h。
图2. a) 柔性可折叠锌-空气电池示意图； b) 在1 mA cm-2的电流密度下电池充放电曲线； c) 柔性锌-空气电池的折叠性能测试；d) 串联的两组柔性锌-空气电池为发光二极管阵列供电。
相关研究成果以“Single-Atom Fe-Nx-C as an Efficient Electrocatalyst for Zinc-Air Batteries” 为题发表在最新一期的Advanced Functional Materials 上（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201808872） 。该项工作得到了科技部国家重点研发计划（2016YFA0202702）和国家自然科学基金（51672029, 51372271）的经费支持。
