能源是人類文明進步和發展的物質基礎。近年來，隨著化石能源的逐漸消耗和日益突出的環境污染問題，人類對綠色、清潔、可再生能源的需求急劇增長。水分解、燃料電池、金屬-空氣電池等高效、低成本能量存儲與轉換技術的開發已成為研究的前沿領域。其中，鋅-空氣電池使用水系電解液具有低成本、安全、環境友好的優勢，理論能量高達1084Wh/kg，有望成為新一代儲能設備。根據使用需求，鋅-空氣電池可以做成一次電池、可充放電電池以及柔性電池。鋅-空氣電池的放電過程涉及氧還原反應（ORR）,而充電過程涉及析氧反應（OER）。目前Pt基催化劑是優良的ORR催化劑，Ir和Ru基催化劑在OER反應中具有優異的催化性能，但是鉑族元素在地殼中儲量稀少、價格昂貴，穩定性差，且功能單一。因此，開發低成本、高效、穩定的非貴金屬催化劑對于鋅-空氣電池的商業化推廣具有重要意義。

單原子催化劑具有高的本征活性、最大化的原子利用效率以及特定的催化劑結構。近年來，基于單原子催化劑的制備、表征和催化性能研究成為能源、材料和催化領域的研究熱點。非貴金屬的Fe基、Co基、Ni基、Mn基單原子催化劑顯示出優異的電催化性能，有望成為鉑族貴金屬催化劑的替代材料。特別是Fe基單原子催化劑在堿性條件下的ORR反應中具有優于Pt基催化劑的性能，表現出更高的半波電位、更大的極限電流密度和擴散電流密度。

近日，在中國科學院北京納米能源與系統研究所孫春文研究員課題組，韓軍興副研究員等人基于金屬一有機框架材料（MOF）包覆和高溫裂解技術成功制備了單原子Fe基催化劑。該工作以二價的FeSO4作為Fe前軀體；1,10-鄰菲羅啉作為有機配體（Phen），通過與Fe2+離子配位形成有機復合物（Fe-Phen）。在MOF晶體生長過程中，有機復合物分子（Fe-Phen）被原位包覆在具有分子尺寸的納米腔體中，彼此被MOF骨架隔離開。在Ar氣氛下經過900℃高溫焙燒后得到單原子分散的Fe基催化劑。電化學測試結果表明單原子Fe基催化劑在ORR反應中的半波電位高達0.91V，比傳統的Pt/C催化劑高90mV，并且優于目前文獻中報道的絕大多數催化劑；電化學活性表面積約是商業Pt/C催化劑的兩倍。將單原子Fe基催化劑用作一次鋅-空氣電池的正極催化劑，電池開路電壓高達1.51V，優于Pt/C催化劑（1.45V）；功率密度達到96.4mWcm-2；以10mAcm-2的電流密度進行放電，一次鋅-空氣電池可以在1.28V的放電電壓下穩定運行2000min以上。

圖1.a)一次鋅-空氣電池結構示意圖；b)不同催化劑制備的電池的開路電壓隨時間的變化曲線；c)電池功率密度特性；d)電池放電曲線；e)在10mAcm-2的電流密度下電池恒流放電曲線；f)展示鋅-空氣電池可以為電子手表供電。

除了表現出優異的ORR催化性能外，單原子Fe基催化劑還具有較好的雙功能（ORR/OER）催化特性，Ej10與E1/2的電位差為0.92V，小于貴金屬復合催化劑（Pt/C+RuO2）的（0.94V）。將單原子Fe基催化劑用作可充放電鋅-空氣電池的正極，鋅-空氣電池在10mAcm-2的電流密度下可以穩定運行超過250h。將單原子Fe催化劑用作柔性可折疊鋅-空氣電池的正極，電池在1mAcm-2的電流密度下可以穩定運行超過120h。

圖2.a)柔性可折疊鋅-空氣電池示意圖；b)在1mAcm-2的電流密度下電池充放電曲線；c)柔性鋅-空氣電池的折疊性能測試；d)串聯的兩組柔性鋅-空氣電池為發光二極管陣列供電。