在全球能源存储领域的激烈竞争中，锌空气电池(ZAB)正崭露头角，成为一种备受瞩目的替代品。

锌空气电池的工作原理是从空气中吸收氧气，使其与锌金属发生反应以产生电能。相较于依赖稀缺且易挥发材料的传统锂离子电池，锌空气电池更轻、更安全，成本可能也低得多。而且，与锂离子系统相比，锌空气电池具有更高的理论能量密度，过热或燃烧的风险也更小。

然而，长期以来，锌空气电池的潜力一直受到缓慢的氧还原反应(ORR)的限制。ORR是放电过程中氧分子转化的关键环节，其反应速度缓慢会导致电池效率低下、寿命缩短。

为攻克这一难题，东北大学的研究人员取得重要进展，开发出一种可能改变局面的双原子催化剂。在先进材料研究所(WPI - AIMR)助理教授张迪的带领下，研究团队通过配对铁(Fe)和钴(Co)原子，设计出一种新型双原子催化剂。这种催化剂嵌入在氮和碳基多孔结构中，形成名为Fe₁Co₁ - NC的材料。

研究人员利用计算模型研究了pH值对ORR的影响，这一研究有助于他们设计出适合碱性电池条件且性能最优的催化剂。随后，他们采用模板法和二氧化碳活化法创建了该结构，形成了对有效运输反应物至关重要的小孔。

实验结果显示，这种催化剂不仅支持更快的ORR，性能还优于传统的铂催化剂Pt/C。Fe₁Co₁ - NC双原子催化剂展现出显著优于铂的ORR活性。在实验室测试中，使用这种新型催化剂的锌空气电池开路电压达到1.51伏，这是一个有力的能量潜力指标。同时，该电池还实现了每公斤锌1079瓦时(Wh kgZn⁻¹)的能量密度，远超类似电池系统中的典型值。即便电流需求高达每平方厘米2至600毫安，电池仍保持出色的倍率性能。

更令人瞩目的是其使用寿命，在中等电流水平下，使用寿命超过3600小时，循环次数超过7200次，远超大多数当代电池的极限。

张迪教授表示：“这项工作为设计和合成可用于实际应用的催化剂提供了一种高效、合理的策略。通过将理论模型与实际合成方法相结合，我们能够开发出一种能够显著提高锌空气电池性能的催化剂。”

这种双原子催化剂的成功，为更便宜、更持久、更高效的锌空气电池开辟了一条可行道路。由于铁和钴比铂更易获取，规模化生产锌空气电池的成本效益也可能更高。

展望未来，张教授团队计划进一步提高未来催化剂中原子配对的精度，并开发更先进的技术，以识别催化剂中驱动ORR的特定活性位点。通过突破双原子催化剂工程的极限，研究人员希望进一步改进能源转换技术，为未来电动汽车和可再生能源系统提供动力。

据悉，该研究成果已发表在《能源与环境科学》杂志上。