可充电锌基电池因其高能量密度、低成本和环境友好性，被认为是极具潜力的储能体系之一。然而，锌空气电池（ZABs）的应用受到氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）效率低下的限制。此外，使用O
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O作为反应物无法通过充放电过程中的氧化-还原反应将能量转化为高附加值化学品。近年来，锌基混合电池系统（如Zn─CO₂、Zn─NO₃⁻和Zn─N₂电池）因其在放电过程中可产生高附加值化学品而受到关注。然而，这些电池系统在充电过程中缓慢的OER限制了整体能量转换效率。开发一种在充放电过程中均能产生高附加值化学品的可充电锌基氧化-还原电池，不仅可以提高能量转换效率，还能实现全过程化学品生产，是一种具有应用前景的多功能能源器件。4-硝基苯甲醇（4-NBA）因其硝基（─NO₂）和羟基（─OH）独特的氧化-还原双活性，以及在宽pH范围内的稳定性，成为实现这一目标的理想选择。
近日，
同济大学陈作锋教授团队和南方科技大学徐强教授团队
在国际知名期刊
《Advanced Energy Materials》
上联合发表题为
“A Rechargeable Zn-Redox Battery for Concurrent Electricity Generation and The-Whole-Process Chemical Production”
的研究文章。该研究开发了一种基于4-硝基苯甲醇（4-NBA）辅助的可充电锌基氧化-还原电池，其利用NiSe─Cu₂Se/NF双功能电催化剂，可实现充放电全过程高效化学品生产。该电池在放电过程中将4-NBA转化为4-氨基苯甲醇（4-ABA），在充电过程中转化为4-硝基苯甲酸（4-NBA I），法拉第效率超过96%。该研究通过对能量转化存储与化学品生产进行高效集成耦合，为开发多功能能源系统提供了新思路。
图1. 一种可全过程生产化学品的可充电锌-氧化还原电池示意图。4-硝基苯甲醇（4-NBA）作为氧化-还原活性物质，在充放电过程中可以分别转化成增值化学品4-硝基苯甲酸（4-NBA I）和4-氨基苯甲醇（4-ABA）。
要点一：NiSe─Cu₂Se/NF双功能电催化剂的结构设计
通过两步法在镍泡沫（NF）上合成了NiSe─Cu₂Se/NF异质结构纳米片催化剂。透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）分析表明，NiSe和Cu₂Se之间存在显著的界面电场，电子从Cu₂Se转移到NiSe。这种结构不仅优化了催化剂的吸附/脱附能力，还降低了反应能垒，提升了电催化性能。
4-硝基苯甲醇（4-NBA）在NiSe─Cu₂Se/NF催化剂的作用下，在放电过程中被还原为4-氨基苯甲醇（4-ABA），充电过程中被氧化为4-硝基苯甲酸（4-NBA I）。实验结果表明，NiSe─Cu₂Se/NF在4-NBA的电催化还原和氧化反应中均表现出优异的性能，法拉第效率分别达到95.93%和96.95%。通过电化学原位傅里叶变换红外光谱，研究团队揭示了4-NBA在不同电位下的反应路径，确认了反应中间体的存在，并提出了详细的反应机理。
基于NiSe─Cu₂Se/NF催化剂，4-NBA辅助可充电锌基氧化-还原电池表现出优异的性能。该电池在放电过程中实现了16.13 mW cm⁻²的高功率密度，并在长时间循环测试中保持了稳定的化学品产率（4-ABA：15.92 μmol h⁻¹ cm⁻²，4-NBA I：22.84 μmol h⁻¹ cm⁻²）。此外，该电池还可驱动商业电子时钟连续运行超24小时，展示了其在实际应用中的潜力。
结合密度泛函理论计算，研究团队深入分析了NiSe─Cu₂Se异质结的电子结构和在充放电过程中的催化反应机理。计算结果表明，NiSe和Cu₂Se之间的界面电场显著优化了催化剂的d带中心，降低了反应中间体的吸附能垒，从而提高了电催化性能。实验结果与理论计算相互印证，进一步验证了NiSe─Cu₂Se/NF催化剂在4-NBA氧化-还原反应中的高活性和高稳定性。
该研究开发的4-硝基苯甲醇（4-NBA）辅助可充电锌氧化-还原电池通过NiSe─Cu
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Se/NF双功能电催化剂驱动，可实现了高效的能源转化存储和充放电全过程化学品生产。该电池不仅在能量转换效率上取得了显著进展，还在放电和充电过程中分别实现了4-NBA到4-氨基苯甲醇（4-ABA）和4-硝基苯甲酸（4-NBA I）的高选择性转化。这种多功能能源系统为未来绿色能源技术的发展提供了新的方向。未来的研究将致力于探索更多有机转化反应的适用性，并探索其在工业规模上的应用潜力。
A Rechargeable Zn-Redox Battery for Concurrent Electricity Generation and The-Whole-Process Chemical Production
https://doi.org/10.1002/aenm.202405473
陈作锋
2009年博士毕业于香港大学，随后在北卡罗莱纳大学教堂山分校和杜克大学从事博士后研究；2014年加入同济大学，入选国家青年人才计划，同济大学长聘教授。主要从事能源存储和转化过程中的电催化和新能源材料，以及光功能精细化学品开发等课题的研究。已在Proc. Natl. Acad. Sci., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等期刊发表论文180篇，全部论文他引万余次，H因子60；申请专利35件，已授权25件，多项专利实现成果转化。主持多项国家自然科学基金和上海市自然科学基金项目。
徐强
南方科技大学讲席教授，日本工程院院士，印度国家科学院院士，欧洲科学院院士。曾先后任日本国立产业技术综合研究所（AIST）首席研究员，AIST-京都大学能源化学材料开放创新实验室主任，神户大学、京都大学教授（兼）。2014-2023年连续入选汤森路透-科睿唯安全球高被引学者，曾获汤森路透研究前沿奖、洪堡研究奖及市村地球环境学术奖等。担任《EnergyChem》主编，《Coord. Chem. Rev.》副主编，《Chem》、《Matter》、《Adv. Energy Mater.》、《Chem. Asian J.》等期刊编委。目前主要致力于金属有机框架（MOF）及衍生物等材料的可控制备及其在催化、能源及环境等领域的应用。
