背景介紹
鋅空氣電池具有能量密度高（1084 W h kg-1）、成本低、穩(wěn)定性和安全性高等優(yōu)點(diǎn)，是一種有巨大應(yīng)用潛力的新一代儲(chǔ)能器件。然而，可充電金屬-空氣電池的工作涉及兩種基本的電化學(xué)反應(yīng)：氧還原反應(yīng)（ORR）和析氧反應(yīng)（OER）。這兩個(gè)半反應(yīng)涉及多步質(zhì)子耦合和電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，由于其電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)緩慢，導(dǎo)致極高的過(guò)電位，嚴(yán)重限制了可充電鋅空氣電池的能量利用率和往返能量效率。而目前市面上廣泛使用的是價(jià)格昂貴，儲(chǔ)量稀缺的Pt基貴金屬催化劑。因此，開(kāi)發(fā)一種低成本、穩(wěn)定的雙功能鋅空氣電池催化劑具有及其重要的價(jià)值。
成果簡(jiǎn)介 本研究設(shè)計(jì)合成一種氮摻雜超薄碳層包覆CoFe合金納米顆粒催化劑的制備策略。通過(guò)在高溫退火過(guò)程中CoFe LDH與載體之間的雙向氧化還原反應(yīng)，在增加了碳缺陷位點(diǎn)的同時(shí)，得到碳層包裹的CoFe納米合金顆粒。通過(guò)控制的CoFe LDH還原過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了CoFe合金納米顆粒均勻分散在碳基體中。超薄碳層之間的層間間隙和介孔通道為傳質(zhì)建立了有效網(wǎng)絡(luò)。緊密結(jié)合的碳層不僅可以防止合金顆粒的聚集和腐蝕，從而提高活性位點(diǎn)的壽命，還可以通過(guò)載體與金屬之間的強(qiáng)相互作用增強(qiáng)催化劑的導(dǎo)電性。此外，合金納米顆粒與碳層之間的顯著相互作用使電子結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，從而提高了Co3Fe7@NCNS在氧還原反應(yīng)和氧析出反應(yīng)上的本征活性。由Co3Fe7@NCNS催化劑制備的鋅空電池具有極高的開(kāi)路電壓（1.46 V）和202.8 mW cm-2的功率密度，并且展現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。 圖文導(dǎo)讀 圖1 Co3Fe7@NCNS的合成示意圖。 圖2 Co3Fe7@NCNS催化劑的（a）SEM圖像，（b）TEM圖像，（c）HRTEM圖像，（d）SAED圖像，（e）HAADF-STEM圖像以及相應(yīng)的元素分布圖，（f）Co3Fe7@NCNS, Co@NHCS-900 和 Fe3C@NCNS-900的XRD圖譜。 圖3 鋅空氣電池性能測(cè)試部分。 作者簡(jiǎn)介 劉沛林：本文第一作者，本科畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）理學(xué)院。目前于中國(guó)石油大學(xué)（北京）攻讀化學(xué)工程與技術(shù)博士學(xué)位，導(dǎo)師為劉堅(jiān)教授，孫源卿副教授。研究方向主要是金屬-碳復(fù)合催化劑的制備及其在電催化中的應(yīng)用。 劉堅(jiān)（通訊作者）：主要從事工業(yè)催化和石油化工的研究工作。主持國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)及面上項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)課題等項(xiàng)目20余項(xiàng)；獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利30余項(xiàng)。在AIChE J.和Angew. Chem.等期刊發(fā)表SCI論文200余篇，他引10000余次。中國(guó)化工學(xué)會(huì)稀土催化與過(guò)程專(zhuān)業(yè)委員會(huì)副主任，中國(guó)能源學(xué)會(huì)能源與環(huán)境催化專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員等；是教育部學(xué)科評(píng)估專(zhuān)家、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)會(huì)評(píng)專(zhuān)家和國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)化學(xué)科學(xué)部會(huì)評(píng)專(zhuān)家等。曾獲中國(guó)化工學(xué)會(huì)基礎(chǔ)研究成果一等獎(jiǎng)、中國(guó)稀土學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、北京市自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)青年科技突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)和技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)、中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎(jiǎng)、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃和全國(guó)百篇優(yōu)秀博士提名論文等。 孫源卿（通訊作者）：副教授，碩士生導(dǎo)師。主要從事金屬納米材料、碳復(fù)合材料的構(gòu)筑調(diào)控及在清潔能源領(lǐng)域的應(yīng)用，主要研究方向?yàn)閺?fù)合納米材料電催化析氫、氧還原反應(yīng)、電催化硝酸鹽還原合成氨等。發(fā)表SCI論文三十余篇，主持并參與多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等。 李振興（通訊作者）：教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家優(yōu)秀青年基金獲得者，中國(guó)石油大學(xué)（北京）“青年拔尖人才”。擔(dān)任中國(guó)化工學(xué)會(huì)稀土催化與過(guò)程專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)稀土學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)委員，《中國(guó)稀土學(xué)報(bào)》、 ACS Sustainable Chemistry & Engineering青年編委。 文章信息 Liu P, Sun Y, Luo J, et al. CoFe alloy embedded in ultra-thin nitrogen-doped carbon nanosheets derived from CoFe LDH as efficient oxygen reduction electrocatalyst for Zn-air batteries. Nano Research, 2025 18(2): 94907139. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907139.
