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，是一種有巨大應用潛力的新一代儲能器件。然而，可充電金屬-空氣電池的工作涉及兩種基本的電化學反應：氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）。這兩個半反應涉及多步質(zhì)子耦合和電子轉(zhuǎn)移過程，由于其電子轉(zhuǎn)移動力學緩慢，導致極高的過電位，嚴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格昂貴，儲量稀缺的Pt基貴金屬催化劑。因此，開發(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值。
成果簡介 本研究設計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。通過在高溫退火過程中CoFe LDH與載體之間的雙向氧化還原反應，在增加了碳缺陷位點的同時，得到碳層包裹的CoFe納米合金顆粒。通過控制的CoFe LDH還原過程，實現(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。緊密結(jié)合的碳層不僅可以防止合金顆粒的聚集和腐蝕，從而提高活性位點的壽命，還可以通過載體與金屬之間的強相互作用增強催化劑的導電性。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在氧還原反應和氧析出反應上的本征活性。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 鋅空氣電池性能測試部分。 作者簡介 劉沛林：本文第一作者，本科畢業(yè)于中國石油大學（北京）理學院。目前于中國石油大學（北京）攻讀化學工程與技術(shù)博士學位，導師為劉堅教授，孫源卿副教授。研究方向主要是金屬-碳復合催化劑的制備及其在電催化中的應用。 劉堅（通訊作者）：主要從事工業(yè)催化和石油化工的研究工作。主持國家自然科學基金重點及面上項目、科技部重點研發(fā)課題等項目20余項；獲授權(quán)中國發(fā)明專利30余項。在AIChE J.和Angew. Chem.等期刊發(fā)表SCI論文200余篇，他引10000余次。中國化工學會稀土催化與過程專業(yè)委員會副主任，中國能源學會能源與環(huán)境催化專業(yè)委員會委員等；是教育部學科評估專家、國家重點研發(fā)專項會評專家和國家自然科學基金委員會化學科學部會評專家等。曾獲中國化工學會基礎研究成果一等獎、中國稀土學會科學技術(shù)一等獎、北京市自然科學二等獎、中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會青年科技突出貢獻獎和技術(shù)發(fā)明獎、中國產(chǎn)學研合作創(chuàng)新獎、教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃和全國百篇優(yōu)秀博士提名論文等。 孫源卿（通訊作者）：副教授，碩士生導師。主要從事金屬納米材料、碳復合材料的構(gòu)筑調(diào)控及在清潔能源領域的應用，主要研究方向為復合納米材料電催化析氫、氧還原反應、電催化硝酸鹽還原合成氨等。發(fā)表SCI論文三十余篇，主持并參與多項國家自然科學基金項目、重點項目、重點研發(fā)計劃等。 李振興（通訊作者）：教授，博士生導師，國家優(yōu)秀青年基金獲得者，中國石油大學（北京）“青年拔尖人才”。擔任中國化工學會稀土催化與過程專業(yè)委員會委員，中國稀土學會青年工作委員會委員，《中國稀土學報》、 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.
