“无需铂也行”……延世大学开发提升锌空气电池性能的“双原子催化剂”[读懂科学]

by Kim Jonghwa

Published 19 Mar.2026 09:26(KST)

基于高分子界面工程实现双铁活性位点……寿命与功率同步提升

随着一种性能超越商用铂催化剂的非贵金属催化剂被开发出来，作为下一代能源存储装置的锌空气电池在商业化进程中的核心瓶颈有望被打破。由于这项技术在降低对成本负担较大的贵金属催化剂依赖度的同时还能提升性能，被评价为具有巨大的产业影响力。

延世大学化学工程与生命工学系教授 Kim Junghoon 与新材料工程学系教授 Park Seongmin 共同领导的研究团队，基于高分子界面工程，利用双铁（Fe）活性位点结构，开发出一种高活性、高耐久性的氧还原催化剂，并于19日对外公布。研究成果发表在催化领域顶级学术期刊《应用催化B：环境与能源（Applied Catalysis B: Environment and Energy）》上。

基于金属有机骨架的界面调控高密度双铁活性位点催化剂设计策略。研究团队提供

“性能优于铂”……突破非贵金属催化剂极限

锌空气电池因其高能量密度和高经济性而备受关注，被视为下一代电池。但由于在空气极发生的氧还原反应速率较慢，性能提升一直存在局限。尤其是传统单原子铁基催化剂中，金属原子容易团聚或活性结构受限，难以同时兼顾活性与稳定性。

为解决这一问题，研究团队引入了高分子界面调控策略。通过在金属有机骨架（MOF）表面均匀涂覆高含氮高分子并进行碳化处理，成功稳定构筑出彼此相邻的双铁活性位点。在这一过程中，既抑制了金属团聚，又同时实现了高铁含量与原子级分散结构。

结果表明，所开发催化剂的半波电位达到0.91V，氧还原性能优于商用铂（Pt/C）催化剂（0.86V）。在实际锌空气电池中的应用测试中，该催化剂实现了1.46V的开路电压、182mW/㎠的最大功率密度，以及超过300小时的稳定充放电性能，证明其兼具高活性与高耐久性。

“双活性位点协同作用”……性能与可扩展性同步验证

研究团队还通过密度泛函理论（DFT）计算，阐明了性能提升的机理。结果显示，相邻的两个铁活性位点可更高效地活化氧分子，尤其是在氢氧根离子预先吸附的结构中，反应在0.24eV的低过电位下即可进行。

与传统单活性位点（FeN4）催化剂相比，这一结构提供了更加有利的反应路径，表明双活性位点之间的协同作用是显著提升氧还原反应性能的关键因素。

研究团队合影。自左起为：Kim Donggyun 化学与生物工程学系统合课程研究生、Jeong Seonghyeon 化学与生物工程学系统合课程研究生、Kim Junghoon 化学与生物工程学系教授、Song Myeongjun 新材料工程学系学生、Park Seongmin 新材料工程学系教授、韩国电子技术研究院 Park Godeung 统合课程学研生。延世大学提供

此外，研究团队还确认，该工艺在克级合成规模下仍能保持相同性能，强调从大规模生产的角度看也是一项具有重要意义的成果。

Kim Junghoon 教授表示：“本研究的关键在于提出了一种能够稳定实现双活性位点结构的界面设计策略。该技术不仅可应用于下一代金属空气电池，还有望扩展到多种能源转换与存储系统。”

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本次研究由博士研究生 Kim Donggyun 等人，以及 Jeong Seonghyeon、Park Godeung、Song Myeongjun 等研究人员共同担任第一作者，韩国电子技术研究院（KETI）负责理论计算工作。研究得到了韩国研究财团纳米及材料技术开发项目、韩国产业技术振兴院产业创新人才成长支援项目以及韩国研究财团LAMP项目的资助。

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本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。