第一作者：Hao Jiangong>

通讯作者：Wenjun Zhang

通讯单位：香港城市大学 

研究内容：

氧电极反应的迟缓动力学是发展可充电锌空气电池（ZABs）的一个瓶颈。在本文中，作者报告了一种通过将单独分散的镍单原子锚定在N掺杂的碳纳米片（Ni SAs-NC）上而合成的双功能电催化剂，它在氧还原反应（ORR）和尿素氧化反应（UOR）中表现出突出的整体性能。在此基础上，一个概念性的尿素辅助的可充电ZAB通过耦合ORR和低热力学电位的UOR被证明具有明显降低的充电电压和高尿素消除率。Ni SAs-NC的高双功能电催化活性使尿素辅助ZAB的能量转换效率大幅提高到71.8%，与传统ZAB相比提高了17.1%。基于Ni SACs的尿素辅助可充电ZAB的成功实施，提高了能量转换效率，可能会推动ZAB技术走向实际应用。

要点一：

  为了确保尿素辅助的可充电ZABs的高效运行，需要具有低过电位和高稳定性的先进ORR/UOR电催化剂。对于ORR，铂基贵金属由于其高催化活性而成为最典型的催化剂之一。然而，高成本和稀缺性的缺点限制了其广泛的应用。因此，各种非贵金属电催化剂已被研究，其中镍基电催化剂由于其有前途的ORR活性和低成本而引起了相当大的兴趣。为了进一步提高其对ORR的电催化性能，这些镍基催化剂的各种形态和结构已被精心设计，以暴露出尽可能多的活性位点。最近，受益于最佳的原子利用效率和高度暴露的活性位点，镍单原子催化剂（SACs）在实现ORR的高电催化活性方面表现出明显的优势。另一方面，含有丰富镍位点的催化剂，包括镍基氢氧化物、氧化物、磷化物、氮化物和合金，也已被证实具有显著的UOR电催化活性。

要点二：

图1. 尿素辅助的可充电ZABs的充电/放电过程示意图。(a) 尿素辅助ZABs的基本构造和工作机制。(b) 尿素辅助和传统ZABs的理论充电电压的比较。

图2. (a) Ni SAs-NC的制备过程示意图。(b-d) 不同放大倍数的Ni SAs-NC的SEM图像。Ni SAs-NC的(e）STEM和（f，g）球差校正的HAADF-STEM图像。在(g)中，一部分原子级的Ni物种被突出显示。Ni SAs-NC的(h)暗场STEM和(i-l)相应EDS映射图像。

图3. (a) NC、Ni NPs-NC和Ni SAs-NC的XRD图。(b) Ni NPs-NC和Ni SAs-NC的Ni 2p XPS图谱。(c) Ni SAs-NC和参考样品、Ni foil、NiPc和NiO的Ni K边XANES光谱。(d) Ni SAs-NC和参考样品在Ni K-边的FT-EXAFS曲线。

图4. (a) 不同催化剂在O₂/N₂饱和的0.1M KOH中的CV曲线。(b) 不同催化剂在O₂饱和的0.1M KOH中的LSV曲线。(c) 不同催化剂的ORR E_1/2和j_k的比较。(d) 不同催化剂的Tafel图。(e) 在0.85V时，Ni NPs-NC、Ni SAs-NC和Pt/C的质量活性比较。(f) Ni SAs-NC和Pt/C在0.6V（相对于RHE）的O₂饱和0.1M KOH中的计时电流响应。

图5. (a)Ni SAs-NC在UOR和OER中的LSV曲线。(b) 不同催化剂在1.0M KOH+0.33M尿素中的UOR的LSV曲线。不同催化剂(c) 相应的Tafel斜率，(d) Nyquist图和(e) C_dl值。(f) Ni SAs-NC在1.39V（与RHE相比）的计时电流响应。(g) 不同催化剂在ORR和UOR电位窗口内的整体极化曲线。(h) 不同催化剂的ORR/UOR和ORR/OER双功能电催化性能的比较。

图6. (a) 充电/放电极化（j-V）曲线，(b) 放电极化（j-V）曲线以及尿素辅助和传统ZAB的相应功率密度图。(c) 不同电流密度下尿素辅助和传统ZAB的静电充电曲线。(d) 在不同的电流密度下，基于Ni SAs-NC的尿素辅助ZAB的尿素消除率和相应的法拉第效率。(e) 尿素辅助和传统ZAB在10 mA cm^-2下的恒流充电/放电循环曲线。

参考文献：

Jiang, H.; Xia, J.; Jiao, L.; Meng, X.; Wang, P.; Lee, C.-S.; Zhang, W. Ni single atoms anchored on N-doped carbon nanosheets as bifunctional electrocatalysts for Urea-assisted rechargeable Zn-air batteries. Applied Catalysis B: Environmental 2022, 310, 121352.