新型設計提升下一代儲能技術的能效、壽命與經濟性。

在全球儲能技術競賽中，鋅空氣電池（ZABs）正成為極具吸引力的替代選擇。其工作原理是通過吸收空氣中的氧氣與金屬鋅發生反應產生電能，這使得它們比依賴稀缺易爆材料的傳統鋰離子電池更輕、更安全，且潛在成本更低。與鋰離子電池相比，鋅空氣電池具有更高的理論能量密度，且過熱或燃燒風險更小。

但長期以來，緩慢的氧還原反應（ORR）制約了其發展潛力 —— 這個關鍵過程在放電時負責氧分子轉化。低效的ORR會導致能量轉換不足并縮短電池壽命。為突破這一瓶頸，日本東北大學的研究團隊開發出可能改變游戲規則的雙原子催化劑。

雙原子催化劑實現性能飛躍

在先進材料研究所（WPI-AIMR）張迪（音譯）助理教授帶領下，團隊通過配對鐵（Fe）和鈷（Co）原子，設計出新型雙原子催化劑。這些原子被嵌入氮摻雜碳基多孔結構中，形成名為Fe?Co?-N-C的材料。

研究人員通過計算模型研究pH值如何影響ORR，從而設計出最適合堿性電池條件的催化劑。隨后采用模板法與CO?活化技術構建該結構，形成對反應物高效傳輸至關重要的小孔徑。最終獲得的催化劑不僅支持更快的ORR，其性能還超越了傳統鉑催化劑（Pt/C）。

超越鉑基催化劑

實驗顯示，Fe?Co?-N-C雙原子催化劑的ORR活性顯著優于鉑。采用新催化劑的鋅空氣電池在測試中達到1.51伏的開路電壓（衡量能量潛力的重要指標），同時實現每千克鋅1079瓦時的能量密度（Wh kgZn?1），遠超同類電池系統水平。即便在2至600毫安/平方厘米的高電流需求下，電池仍保持優異的倍率性能。

最令人矚目的是其壽命表現：在中等電流水平下持續運行3600小時并完成7200次循環，遠超當前大多數電池的續航能力。"這項工作為實際應用催化劑的設計合成提供了高效理性策略，"張迪表示，"通過理論模型與實際合成方法的結合，我們開發出能顯著提升鋅空氣電池性能的催化劑。"

應用前景與下一步研究

該雙原子催化劑的成功為開發更經濟、耐用、高效的鋅空氣電池指明了方向。由于鐵和鈷比鉑更易獲取，規模化生產也將更具成本優勢。

研究團隊未來計劃優化原子配對精度，并開發更先進的技術以識別催化劑中驅動ORR的具體活性位點。通過突破雙原子催化劑工程的極限，研究人員希望進一步改進能源轉換技術，為未來電動汽車和可再生能源系統提供動力。

該研究成果已發表于《能源與環境科學》期刊。

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