日本东北大学设计铁基催化剂提升锌空气电池性能

日本东北大学（Tohoku University）的研究人员设计出一种铁基催化剂，通过构建氧化铁与氧化钐的异质界面，有效突破了锌空气电池（zinc-air battery）中氧还原反应（ORR）的动力学瓶颈。该技术被认为提供了一条替代锂离子系统的低成本储能路径。

锌空气电池以空气中的氧气为反应物，无需在内部储氧，理论上具备高能量密度，但其阴极的氧还原反应速度较慢，成为制约整体性能提升的关键短板。为加速反应，研究团队开发了一种Fe₂O₃/Sm₂O₃异质界面，通过引发催化剂表面的电荷再分布、轨道杂化及自旋调制，优化了电子行为。试验证实，该界面显著削弱了铁位点与羟基中间体的过度键合，使反应路径更加顺畅。

氧化铁（Fe₂O₃）之所以被选为基础材料，在于其储量丰富、取材成本低，且在锌空气电池常见的碱性电解液中具有出色的化学稳定性。然而，铁基催化剂普遍存在强烈的Fe-OH相互作用，这会阻碍反应产物的快速脱附，而新设计的异质界面正好克服了这一固有缺陷。

与现有技术相比，该催化剂在保持高活性的同时，实现了更快的ORR反应动力学与更高的运行耐久性，且全程无需使用价格昂贵的贵金属。研究团队在液态和柔性全固态锌空气电池中分别验证了该材料的性能，并成功驱动小型LED灯照明及为智能手机充电。

“该催化剂实现了高ORR活性、改进的反应动力学、出色的耐久性，在液态和柔性全固态锌空气电池中均表现出优异性能，”先进材料研究所（WPI-AIMR）特聘教授Hao Li表示。他强调，催化剂性能的改善使该技术向便携式电子设备、可穿戴装置及大规模储能系统等实际应用迈进了关键一步。“对公众而言，这意味着我们或许更接近负担得起且可持续的清洁能源技术。”

该研究展示了用储量丰富的材料替代贵金属催化剂，同时保持强大电化学性能的可行路径。未来工作将重点扩展研究中采用的界面自旋调控策略，探索其在其他能源转换与存储技术中的应用潜力。相关成果已发表于《德国应用化学国际版》（Angewandte Chemie International Edition）。