可充电锌空气电池（RZAB）因其安全可靠、低成本、理论能量密度高和环境友好的特点，被认为是后锂离子时代实现可持续发展的能量转换和储存系统之一。然而，锌空气电池阴极缓慢的四电子氧化还原反应限制了它的发展，其中，氧中间体不理想的吸附脱附效果是限制阴极反应的一大主要因素。 近日，中山大学杨国伟、曾志平团队开发了一种具有长程电子耦合作用异质三原子催化剂，超越了双原子催化剂的主要和次要活性位点，通过原位X射线吸收精细结构谱（XAFS）和拉曼光谱分析，阐明FCN-TM/NC的铁（Fe）为主要活性位点，利用邻近的钴（Co）和镍（Ni）的长程电子耦合效应，铁（Fe）位点为ORR和OER的主要活性中心。镍（Ni）位点为协同催化中心，而钴（Co）位点在ORR过程中调节电子分布。在OER过程中，Co位点为协同催化中心，而Ni则充当电子调节剂。以该催化剂组装的锌空气电池可在−60℃下运行5500小时。
异质FeCoNi三原子催化剂（FCN-TM/NC）在氧还原反应（ORR）中表现出优异的双功能催化活性和稳定性。独特的电子耦合效应显示出异质三金属催化剂超越单元和双元催化剂的性能优势。 通过原位X射线吸收精细结构谱（XAFS）和拉曼光谱分析，结合DFT理论计算，验证了该催化剂可以显著降低氧化还原反应的势垒，同时揭示了主要活性位点（Fe）与辅助活性位点（Co、Ni）之间的电子相互作用。 使用FCN-TM/NC作为阴极的液态锌空气电池表现出380 mW cm−2的高峰值功率密度以及超强的循环性能（在10 mA cm−2下运行1120小时），而柔性固态锌空气电池则表现出优异的极端低温环境下的可充电性能，在−60°C、1 mA cm−2下可以运行5500小时和可从−60°C到60°C宽温度适应性。 深入的理论和实验研究表明，这种优异的催化活性归因于不对称的FeN4构型、长程异质金属电子耦合、局部微环境的调控、优化的d轨道能级以及双功能氧电催化的较低能垒。这种金属有机框架（MOF）介导的三原子催化剂的合理设计，结合机理分析，推动了异质三原子催化剂在多种电催化过程中的发展，为可持续能源转换提供了新思路。 论文信息 Asymmetrical Triatomic Sites with Long-Range Electron Coupling for Ultra-Durable and Extreme-Low-Temperature Zinc–Air Batteries Wencai Liu, Zhanhao Liang, Shaojie Jing, Junjie Zhong, Ning Liu, Bin Liao, Zichen Song, Yihui Huang, Bo Yan, Liyong Gan, Xi Xie, Yichao Zou, Xuchun Gui, Hong Bin Yang, Dingshan Yu, Zhiping Zeng, Guowei Yang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202503493
