青岛科技大学《Nano Res.》：0.5秒合成双单原子催化剂！锌空电池稳定运行650小时，氯碱电解效率达97%

导语
开发兼具高活性与稳定性的非贵金属氧还原催化剂是推动锌空气电池与节能氯碱工业发展的关键。近日，青岛科技大学王磊教授、宗玲博副教授团队在《Nano Research》上发表创新研究成果。团队采用高温冲击合成策略，在0.5秒内成功于商业炭黑上制备出Fe/Ni双单原子催化剂（Fe/Ni-N/CB）。该催化剂在氧还原反应中表现出0.907 V的高半波电位，基于其组装的锌空气电池可稳定循环超过650小时，并在氯碱电解应用中实现300 mA cm⁻²大电流密度下97%的法拉第效率，为高效节能电化学器件的开发提供了新材料。

研究亮点

• 超快合成：0.5秒内实现Fe/Ni双单原子位点的精准锚定，远超传统方法效率

• 性能卓越：氧还原半波电位达0.907 V，锌空电池稳定运行650小时

• 工业潜力：氯碱电解在300 mA cm⁻²大电流密度下槽压仅1.60 V，能效突出

• 机制明晰：理论计算揭示Fe、Ni位点协同降低反应能垒的机理

图文解析
图1 展示了催化剂的合成路径与微观结构，HAADF-STEM图像及元素分布图证实Fe和Ni以孤立单原子形式均匀分布。

图2 的XPS等表征分析了材料的电子结构，表明金属与氮配位成功形成了M-Nx活性位点。

图3 的系统电化学测试表明，Fe/Ni-N/CB具有最优的氧还原活性、稳定性及甲醇耐受性。

图4 的理论计算从原子层面揭示了Fe与Ni位点的协同作用机制，阐明了其性能提升的根源。

图5-6 展示了催化剂在液态与准固态锌空气电池中的优异性能，包括高功率密度和长循环寿命。

图7 验证了催化剂在节能氯碱电解中的应用潜力，展现出低槽压和高电流效率。

技术支撑
本研究的成功实施依赖于以下核心技术与设备支持：

• 瞬时高温系统：具备毫秒级精确控温能力的高温冲击反应设备

• 前驱体设计：利用刚性配体限域效应，防止金属原子迁移团聚

• 先进表征平台：结合球差电镜、XPS等证实双单原子位点的形成

• 理论计算体系：通过DFT计算深入理解催化位点的协同机制
  该技术路线与原子级材料合成、能源电催化及工业电解领域的技术平台高度兼容。

总结展望
本研究通过高温冲击技术实现了双单原子催化剂的高效、可控制备，并展现了其在能源转换与存储领域的巨大应用潜力。该工作不仅为设计高性能催化剂提供了新思路，也彰显了超快合成技术在材料制备中的独特优势。未来，该策略有望拓展至更多元催化体系，推动其在更广阔能源化工领域的应用。

文献信息
Rigid ligand confined rapid synthesis of dual single-atomic sites on carbon black for enhanced oxygen depolarized cathodes
Nano Research, 2025
DOI: https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907794