北化工程元徽Small: 双空间位阻策略助力PA@Z8-Fe-N-C高效催化ORR和OER

水性金属-空气液流电池(MAFBs)结合了水性液流电池的安全性和金属-空气电池的低成本和高能量的优点，被认为是最有前途的候选者之一。然而，这些装置中涉及的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的动力学相对缓慢。贵重的Pt和IrO₂催化剂目前用于提高反应速率，但其储量稀少。

原子分散的铁嵌入碳是一种很有前途的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的双功能催化剂，但必须增加其暴露的铁位点以提高催化活性。

北化工程元徽Small: 双空间位阻策略助力PA@Z8-Fe-N-C高效催化ORR和OER

基于此，北京化工大学程元徽团队提出了一种双空间位阻策略，该策略可使铁原子在氮掺杂碳中与N(O)原子紧密孤立配位。其中，苯基硼酸可以充当空间障碍物以防止铁离子在热解过程中迁移和团聚，从而阻止碳纳米管的生长并诱发更多的缺陷，并作为造孔剂进行传导以构建中空和多孔结构。

制备的PA@Z8-Fe-N-C具有最高的铁含量(5.49 wt%)。同时，其凹面、中空结构和分层孔隙使铁位的利用率高达88.5±4.5%，暴露的活性位点密度高达每克具有5.2±0.3×10²⁰个位点，可加快反应物和产物的传输。

该催化剂PA@Z8-Fe-N-C在半电池和锌空气液流电池中的ORR和OER表现出优于商业Pt/C和IrO₂的活性和稳定性。这为开发具有密集暴露活性位点的单原子催化剂提供了一条途径，用于实际能源设备，包括液流电池、燃料电池、金属-空气电池、CO₂电还原和水分解。

Atomically Dispersed Iron with Densely Exposed Active Sites as Bifunctional Oxygen Catalysts for Zinc-Air Flow Batteries. Small, 2021. DOI: 10.1002/smll.202105892

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