鋅-空氣電池(ZAB)是一種理論能量密度高、成本低、環(huán)境友好的儲能裝置，具有廣闊的應用前景。ZAB的性能主要受限于空氣電極的高極化和較短的使用壽命，因此提高ZAB中ORR/OER過程的動力學具有重要意義。此外，ZABs的商業(yè)化在很大程度上受到貴金屬催化劑(例如用于ORR的Pt基催化劑和用于OER的RuO2/IrO2)的高成本和低儲量的限制。因此，合理設計高效低成本的氧電催化劑是優(yōu)化ZAB電化學性能和實現ZAB實際應用的關鍵。
近日，東北大學伊廷鋒和四川大學張千玉等以(NH4)2SO4為表面活性劑，次磷酸鈉為還原劑，制備了高度支化碳納米管的三維N/P/S摻雜納米花結構雙功能催化劑(Co/SP-NC)。在室溫攪拌下，(NH4)2SO4促使二維Zn/Co-ZIF轉變?yōu)槿S納米花狀組裝結構，同時為碳基底提供活性S原子；亞磷酸鈉在熱解過程中誘導3D Zn/Co-ZIF納米花表面形成高度分支的碳納米管。
此外，密度泛函理論(DFT)計算證實，N、P、S的引入可以有效活化水分子和氧分子，同時形成大量的缺陷位點，改變Co物種周圍的配位環(huán)境，大大增加活性中心的數量。適當的P摻雜不僅提高了載體的電子導電性，而且有利于OER/ORR過程中的電荷轉移。
因此，所制備的Co/SP-NC催化劑表現出優(yōu)異的ORR/OER雙功能性能，其ORR的半波電位(E1/2)為0.8603 V，在10 mA cm?2電流密度下的OER過電位為343 mV。以Co/SP-NC作為空氣電極組裝的ZAB顯示出1.46 V的開路電壓(OCV)，功率密度最高可達187 mW cm?2，以及高的比容量(801 mAh gZn-1)，優(yōu)于Pt/C-RuO2。
此外，Co/SP-NC還表現出良好的循環(huán)穩(wěn)定性(>280小時)，證實了高度支化的碳納米管Co/SP-NC空氣陰極具有巨大的商業(yè)應用潛力。綜上，該項工作突出展示了Co/SP-NC優(yōu)異的結構和組成特性，為下一代高性能可充電ZAB的三維納米結構構建和活性中心調控提供了參考范例。
Self-assembled 3D N/P/S-tridoped carbon nanoflower with highly branched carbon nanotubes as efficient bifunctional oxygen electrocatalyst toward high-performance rechargeable Zn-Air batteries. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202313491
