優(yōu)異的雙功能氧還原反應(yīng)（ORR）/析氧反應(yīng)（OER）活性和快速傳質(zhì)能力是高性能可再充電鋅-空氣電池（ZABs）電催化劑的兩個(gè)重要參數(shù)。

基于此，澳大利亞格里菲斯大學(xué)張山青教授和浙江大學(xué)陸俊教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種有效的原子調(diào)制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以促進(jìn)ORR/OER電催化劑的雙功能活性和傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)。

所制備的Fe-N@Ni-HCFs催化劑具有增強(qiáng)的雙功能ORR/OER活性和良好的氣-固-液界面，以改善傳質(zhì)。其具有顯著的功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性，優(yōu)于商業(yè)Pt/C+Ir/C基準(zhǔn)。

DFT計(jì)算，以評(píng)估金屬Ni在影響催化性能中的具體作用。理論模型由Ni（111）表面上原子Fe-N₄位點(diǎn)嵌入石墨烯單層膜（Fe-N₄– C||Ni）組成。由于Ni（111）平面與石墨烯具有良好的相容性和較小的晶格失配，因此采用了該平面。與裸露Fe-N₄-C相比，F(xiàn)e中心的部分態(tài)密度（PDOS）在Fe-N₄-C||Ni中呈現(xiàn)負(fù)移。在Fe-N₄-C||N上獲得了更高的靠近費(fèi)米能級(jí)的電子態(tài)，表明了更高的反應(yīng)活性和電子遷移率。

此外，F(xiàn)e-N₄-C||Ni（-1.19 eV）對(duì)應(yīng)的d-帶中心較裸露Fe-N₄-C（-1.00 eV）有向下移動(dòng)，表明其對(duì)含氧中間體的親和力減弱。

電荷密度差顯示，Ni(111)表面和石墨烯壁的電荷重分布顯著，轉(zhuǎn)移電荷在接口上離域。Bader電荷分析表明，F(xiàn)e-N₄-C中的Fe原子向周?chē)腘-C損失了1.09|e|。相比之下，F(xiàn)e-N₄-C||Ni中的Fe僅損失0.93|e|，表明電子通過(guò)界面相互作用或通過(guò)石墨烯層從Ni轉(zhuǎn)移到Fe。電子結(jié)構(gòu)的變化表明對(duì)ORR和OER的內(nèi)在活性的改變。

Atomic Modulation and Structure Design of Fe-N₄ Modified Hollow Carbon Fibers with Encapsulated Ni Nanoparticles for Rechargeable Zn–Air Batteries. Adv. Funct. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adfm.202209273.

https://doi.org/10.1002/adfm.202209273.