DOI: 10.1021/acsami.2c09271

氧还原反应（ORR）电催化剂在燃料电池和锌空气电池中发挥着核心作用。双金属单原子和纳米颗粒杂化物是新兴的ORR电催化剂，优于开发最多的一元金属单原子催化剂（SACs）。在此，本文报告了基于双金属SAC的Co3Fe7@Co/Fe-SAC纳米纤维网络，用于高效的ORR电催化和锌空气电池。开发了一种简便且易于扩展的工艺，并在三种杂化体中验证了其通用性。双金属单原子和合金纳米粒子之间存在强烈的电子相互作用，从而提高了ORR催化性能。具体而言，Co3Fe7@Co/Fe-SAC杂化物在碱性电解质中显示出0.841V的半波电位，与Pt/C电催化剂相当。组装在锌空气电池中的Co3Fe7@Co/Fe-SAC混合基电池的功率密度比基准Pt/C-IrO2基电池高出1.8倍，并且在150次恒电流充电/放电循环中保持稳定。优异的器件性能可归因于良好的内在活性、抗浸出碳屏蔽效应，以及分层多孔网络的较高活性位点可及性和有利的质量传输。理论计算表明，合金纳米粒子显著提高了Fe单原子位点的内在催化活性，但代价是略微降低了Co单原子位点的活性。总体而言，这项工作为大规模生产高效复合电催化剂提供了一种通用途径，并强调了双金属单原子基杂化物和分层多孔结构对ORR器件性能的影响。

图1.Co3Fe7@Co/Fe-SAC的微观结构。（a）扫描电镜图像。（b）TEM图像。（c）HRTEM图像。（d）HAADF-STEM和相应的元素映射图像。（e）原子分辨率HAADF-STEM图像。（f）碳底物的EDS。

图2.Co3Fe7@Co/Fe-SAC、Co/Fe-SAC和Co3Fe7/NC表面的化学结构。（a）Fe2p XPS光谱。（b）Co2p XPS光谱。（c）N1s XPS光谱。（d）C1s XPS光谱。

图3.Co3Fe7@Co/Fe-SAC的电催化ORR性能。（a）在O2饱和的0.1M KOH溶液中记录的线性扫描伏安曲线和（b）循环伏安曲线。（c）0.85V和半波电位下的动力学电流密度。（d）不同转速下的RDE曲线。插图显示了Koutecky-Levich图。（e）电子转移数和过氧化物产率图。（f）塔菲尔图。

图4.Co3Fe7@Co/Fe-SAC、Co3Fe7/NC和商用Pt/C的ORR电催化耐久性。（a）Co3Fe7@Co/Fe-SAC、（b）Pt/C和（c）Co3Fe7/NC的LSV演变。（d）动力学电流密度和半波电位演变。

图5.以Co3Fe7@Co/Fe-SAC作为空气阴极的锌空气电池性能。（a）示意图。（b）开路电压。（c）电流密度为10和200mA/cm2时的放电性能。（d）放电极化曲线和相应的功率密度曲线。（e）电流密度为10mA/cm2时的比容量（由消耗的Zn质量标准化）。（f）电流密度为10mA/cm2时的恒电流充电/放电循环性能。

图6.（a）提出的Co3Fe7@Co/Fe-SAC的ORR机制。（b）不同催化剂模型的吉布斯自由能图。（c）计算的Co3Fe7@Co/Fe-SAC的电荷密度差（青色和黄色区域分别代表电荷耗尽和电荷积累）。（d）Co3Fe7@Co/Fe-SAC和Co/Fe-SAC的态密度（DOS）。