Chainmail 催化剂用于增强氧电催化的碳封装 FeNi 合金

全球能源需求的快速增长导致了传统化石燃料的大量枯竭和严重的环境问题，毫无疑问，高效能源存储和转换技术的发展是一个重要的研究领域。可充电锌空气电池由于其能量密度高、成本低、环境友好、安全等优点引起了人们的广泛研究兴趣。

然而，空气正极缓慢的动力学过程限制了锌空气电池技术的发展，即放电过程中的氧还原反应(ORR)和充电过程中的析氧反应(OER)。因此，需要有效的电催化剂来促进这两个反应。

通常，铂 (Pt) 等贵金属电催化剂对于 ORR 有效，而钌 (Ru) 和铱 (Ir) 氧化物对于 OER 有效。然而，贵金属催化剂双功能催化活性不理想、稳定性差、丰度低、价格高等不可避免地阻碍了其实际应用。因此，设计高效且廉价且具有双功能催化活性的 ORR 和 OER 催化剂仍然是一个巨大的挑战。

在过去的十年中，研究人员一直致力于开发不含贵金属的双功能电催化剂，包括过渡金属(铁、钴、镍和锰)、金属合金、氧化物、氮化物、氢氧化物和磷化物。在这些化学品中，过渡金属合金由于其低廉的价格和对ORR和OER的高催化活性而引起了人们的极大兴趣。

深入研究表明，铁基催化剂可以为ORR提供优异的催化活性，但其OER催化性能较差，而镍基催化剂在OER中具有突出的性能，毫无疑问，Fe和Ni的组合是构建高效双功能催化剂的明智选择。

同时具有良好的 ORR 和 OER 催化活性的 FeNi 合金电催化剂是非常理想的。在这个方向上已经取得了一些进展;然而，金属部件的耐用性仍然不足，因为重复的氧化还原反应会导致金属溶解在水溶液中。

平衡合金电催化剂的催化活性和耐久性是实现优异性能的主要挑战之一。为了解决这个问题，一种有效的链甲策略是用碳材料构建封装结构。

化学反应环境通常包括液体溶液中的反应分子、温度和各种物理场，就像催化剂战斗的战场。稳定的碳层保护内部金属芯免受破坏性反应环境的影响。

因此，它被形象地描述为链甲催化剂。链甲不仅应该是用于分离和保护催化剂免受腐蚀环境影响的坚固材料，而且还应该能够将催化活性转移到其外表面，然后参与催化反应。

最近，中国郑州大学周震教授领导的研究小组设计了一种极具前景的链甲催化剂，名为FeNi@NC，该催化剂由超薄碳壳组成，将FeNi合金纳米粒子封装在氮掺杂的类石墨烯纳米片上。 FeNi 合金和氮掺杂碳壳之间的强大协同效应导致出色的双功能催化活性，特别是在碱性介质中。

因此，采用 FeNi@NC 作为催化剂的锌空气电池表现出卓越的性能，能够在高功率密度下可靠运行，并延长使用寿命。此外，计算分析进一步证实了催化活性，并揭示了从 FeNi 合金纳米颗粒到碳壳的电子转移激活了碳表面，从而增强了催化性能。

该研究不仅为支持生长受限过渡金属合金的杂原子掺杂碳材料的合理设计和合成提供了思路，而且为推进锌空气电池的应用提供了实用的解决方案。