随着碳中和发展模式的出现，研究人员已经付出许多努力来开发环保的能源存储方案。Zn-空气电池(ZABs)因其能量密度高、丰富的Zn储量和环境良性的性质而受到广泛的关注。
但是，空气阴极反应动力学缓慢仍然是提高电池性能的关键瓶颈。由于贵金属的高成本和有限的存储量，需要探索具有成本效益的双功能氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)电催化剂，以优化ZABs的放电和充电过程。
此外，柔性Zn-空气电池(FZABs)面临着凝胶聚合物电解质(GPEs)对温度波动的敏感性相关的特殊挑战，特别是在低温下。因此，设计有效的双功能ORR/OER催化剂和增强GPEs的低温弹性可能是解决这些问题的有效策略。
近日，黑龙江大学付宏刚和王蕾等采用两步电沉积策略将Fe单原子位点和团簇共同锚定在蠕虫状聚吡咯上(FeSA/FeAC@PPy/CC)作为双功能氧电催化剂。这种独特的三维结构可以提供更多的活性位点，大大缩短了传质的扩散路径。
同时，Fe单原子位点降低了ORR和OER的速率决定步骤的能垒，而Fe团簇平均了含氧中间体的能垒。Fe单原子位点和团簇之间的协作使金属的d带中心更接近费米能级，导致Fe中心的电子耗尽。这种调整触发轨道电子的重排，增强与氧轨道的吸附相互作用，从而提高ORR和OER活性。
此外，利用由聚丙烯酰胺(PAM)和乙二醇(EG)组成的锁水氢键网络电解质来提高低温耐受性从而进一步提高了双功能氧电催化反应活性。
性能测试结果显示，对于OER，FeSA/FeAC@PPy/CC催化剂在1.52 V电位下能够达到20 mA cm−2的电流密度，ORR的半波电位为0.83 V；同时，FeSA/FeAC@PPy/CC催化剂作为气阴极组装的ZAB在10 mA cm−2电流密度下的初始充放电电位间隙为0.77 V，并能够稳定工作437小时。更重要的是，通过引入PAM/EG GPEs开发了一种FZAB，其能够在40 °C到-40 °C的温度范围内表现出稳定的循环性能。
总的来说，该项研究通过对催化剂和电解质的共同改进来显著提高了ZAB的性能，为构建高效、稳定的低温FZABs提供了重要指导。
Iron clusters and single atom sites cooperatively promote bifunctional oxygen reaction activity in ultra-stable flexible zinc-air battery. Energy & Environmental Science, 2025. DOI: 10.1039/D4EE05508J
