可充放电锌空气电池凭借高能量密度、安全性、低成本和环境友好性而备受关注。然而，由阴极缓慢的4 e^-氧化学反应所带来的核心挑战仍未解决，因而迫切地需要高活性的双功能ORR/OER催化剂。迄今为止，许多氧电催化剂都是通过高温热解制备，这可能会破坏原有的精细结构，使电催化的机制变得复杂。因此，构建具有精细结构的无热解非贵金属双功能电催化剂，对实现可控的高效氧催化及其锌空电池应用具有重要意义。

基于此，我院刘习奎教授与程冲研究员和罗祥林教授合作，在科琴黑导电基底上原位生长具有原子分散Fe-N₄位点的新型酰亚胺连接二维金属酞菁聚合物网络，然后进一步负载超细氧化镍纳米颗粒。受益于强大的芳香族骨架、精心设计的催化中心以及独特的电子结构，新开发的NiO_x@FePc-PI/KB催化剂表现出优异的可逆氧双功能活性（E_1/2= 0. 926 V，η₁₀= 285 mV），提供了创纪录的低过电位差ΔE= 0.59 V，这远远超过了基于贵金属的Pt/C+RuO₂的基准（ΔE= 0.77 V）。此外，用NiO_x@FePc-PI/KB催化剂组装的可充电锌空气电池表现出232.9 mW cm^-2的高峰值功率密度和超过1400次的长期循环耐久性。全固态锌空气电池也表现出稳定的循环性，从而证明了其在柔性可穿戴器件中良好的应用前景。这项工作提供了一个成功的范例，通过同时引入单原子和纳米颗粒来调整电子结构以获得高效的催化剂，刷新了双功能氧电催化的记录，增强了有机共轭材料在可持续能源转换和存储设备中的应用潜力。相关研究成果以“A Stable Imide-linked Metalphthalocyanine Framework with Atomically Dispersed Fe-N₄Sites and Ultrafine Nickel Oxide Nanoparticles to Boost Reversible Oxygen Electrocatalysis with a Record-Low ΔEof 0.59 V”为题发表在Advanced Energy Materials。

我院博士研究生张珍为论文第一作者，刘习奎教授为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金和四川省国际科技创新合作项目的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202300325

图1. NiO_x@FePc-PI/KB材料的制备示意图

图2. NiO_x@FePc-PI/KB材料用于全固态锌空气电池。

撰稿：张珍

编辑：杨燕玲

审核：刘向阳