東北大學研究團隊開發鐵基催化劑 提升鋅空氣電池效能

東北大學的研究人員已開發出一種基於鐵的催化劑，能提升鋅空氣電池的性能。這項技術被視為鋰離子系統的低成本替代方案，適用於能源儲存。該團隊專注於克服鋅空氣電池中氧還原反應（ORR）的主要限制。鋅空氣電池從周圍空氣中吸取氧氣，而非在內部儲存，但 ORR 過程相對緩慢，限制了整體電池性能。為瞭解決這個問題，研究人員設計了一個由氧化鐵（Fe2O3）和氧化鈰（Sm2O3）組成的異質界面。

這個界面改變了催化劑表面電子的行為，幫助加速反應動力學，改善電池效率。根據研究人員的説法，該催化劑減弱了鐵位點和氫氧中間體之間的過度鍵合，使反應得以更順利進行，從而減少了鋅空氣電池運行中的主要瓶頸之一。 在電池化學方面，研究人員選擇了 Fe2O3，因為它豐富、價格低廉且在鋅空氣電池常見的鹼性條件下穩定。然而，基於鐵的催化劑通常面臨強烈的 Fe-OH 相互作用，這會減緩反應產物的釋放。

新開發的 Fe2O3/Sm2O3 界面旨在克服這一限制。研究人員表示，界面處的電荷重分佈、軌道雜化和自旋調節幫助優化了催化劑在氧還原過程中的行為。因此，該催化劑提供了比傳統方法更快的 ORR 動力學和更高的耐用性。這項研究還避免了使用昂貴的貴金屬，這些貴金屬通常用於高性能催化劑。該團隊在液體和靈活的全固態鋅空氣電池中評估了材料的性能。除了實驗室測量，研究人員還展示了實際操作，通過為小型 LED 燈供電和為智能手機充電來證明其可行性。

鋅空氣電池的潛力與應用

“該催化劑實現了高 ORR 活性、改善的反應動力學、卓越的耐用性，並在液體和靈活的全固態鋅空氣電池中表現優異。”高立教授（Hao Li）在先進材料研究所（WPI-AIMR）表示。鋅空氣電池因其使用廣泛可得的材料而引起關注，並理論上能提供高能量密度。與鋰離子電池不同，鋅空氣電池依賴於來自大氣的氧氣作為電化學過程的一部分。研究人員相信，提升催化劑性能將有助於使該技術在現實應用中更具可行性，包括便攜電子產品、可穿戴設備及大規模能源儲存系統。

“對於公眾來説，這意味著我們可能更接近於可負擔且可持續的清潔能源技術。”高立補充道。 研究人員表示，這項研究展示了通過用更豐富的材料取代貴金屬催化劑來實現低成本能源儲存的潛在途徑，同時保持強大的電化學性能。未來的工作將專注於擴展研究中使用的界面自旋調節策略，並探索是否可以使用類似的方法改善其他能源轉換和儲存技術。該研究結果已發表於《應用化學國際期刊》（Angewandte Chemie International Edition）。