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摘要：日本东北大学的研究小组，将自主研发的正极催化剂和酸性·碱性电解质串联排列，开发出一种开路电压超过2V的高输出锌空气电池，所开发的催化剂即使在铂催化剂劣化的强盐酸环境中也能保持高催化活性。

关键词：金属空气电池、稀有金属、正极催化剂、Pt/C、耐酸性

以锌空气电池为代表的金属空气电池由于容量大，有望成为下一代能源设备。但到目前为止，其电压仅约为1.4V，与3.7V的锂电池（LIB）等相比，其驱动功率低，输出也小，因此仅用于有限的应用，例如长时间低输出运行的助听器等。

此外，在用于助听器等的强碱性电解质中，由于氧还原反应（ORR）难以进行，过电压较大，因此通常只能输出1.4V左右的电压。虽然研究小组讨论了采用ORR反应活性高的铂碳(Pt/C)催化剂等贵金属催化剂来提高电压，但由于要使用昂贵的铂，一直在寻找替代催化剂。

到目前为止，研究小组已经开发出了一种替代铂的高性能催化剂“AZUL”，其不含稀有金属并具有高ORR活性。AZUL在碱性环境中表现出与Pt/C相当的性能。基于此，研究小组开发了一种串联型电池，该电池使用AZUL催化剂作为正极，正极侧设置酸性电解质，负极侧设置碱性电解质。

首先，研究小组评估了单一AZUL催化剂的活性。通过催化剂转化频率（TOF）比较了单一催化剂的ORR活性，结果发现，AZUL的重量活性比Pt/C高3.5至6.1倍。即使使用相同量的铁氮杂酞菁和Pt，在AZUL的情况下，每个铁氮杂酞菁分子都能起到催化活性位点的作用；而由于Pt被制成纳米粒子，因此认为只有暴露在表面的原子才能对反应做出贡献。

接着，为了研究AZUL催化剂在锌空气电池中的适用性，研究小组将AZUL催化剂和Pt/C催化剂涂覆在正极碳片上，并使用3D打印机制备了使用碱性电解质的锌空气电池。在输出特性和放电特性的评估方面，使用了AZUL催化剂的锌空气电池在催化剂用量为1/2至1/3时，表现出与Pt/C相同的性能。这反映了正极催化剂的高重量活性。

（a）使用碱性电解质（6.0M氢氧化钾水溶液）的锌气电池示意图和照片

（b）使用Pt/C和（c）AZUL作为正极催化剂的电池的电流-电压特性

此外，研究小组分别制备了使用AZUL催化剂正极和Pt/C正极的锌空气电池，并使用3.5M盐酸作为酸性电解质和6.0M氢氧化钾水溶液作为碱性电解质，评估了输出特性和放电特性。结果显示，使用AZUL催化剂的电池实现了2.25V的最大开路电压、318mW/cm²的最大功率以及1139mWh/g_(Zn)(Wh/kg_(Zn)，每单位锌重量的负极容量)的最大容量。在迄今为止公布过的使用无稀有金属正极催化剂的锌空气电池中，其电压和输出最高。

此外，Pt等贵金属在强盐酸水溶液中无法获得足够的催化活性，性能容易下降，而使用金属络合物系催化剂分子的AZUL催化剂即使在强盐酸水溶液中也很稳定，具有稳定的放电特性。这证明了即使在酸性环境中，AZUL催化剂作为铂的无稀有金属替代品也是有效的。

未来，研究小组将通过堆叠电池和增加面积等方法，旨在开发一种可以应用于无人机等运输设备的金属空气电池。

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自主研发无稀有金属正极催化剂——用于金属空气电池

IHI等开发出地聚合物混凝土，具有与水泥混凝土相同强度特性