在可再生能源領(lǐng)域,，鋅空氣電池（ZABs）因其高能量密度、良好穩(wěn)定性以及豐富的鋅資源而備受關(guān)注,。然而,，鋅空氣電池的性能受限于氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）的緩慢動(dòng)力學(xué)。傳統(tǒng)的銥,、鉑和釕等貴金屬催化劑,，雖然具有優(yōu)異的催化活性，但成本高昂且穩(wěn)定性不佳,，限制了其商業(yè)應(yīng)用,。因此，開(kāi)發(fā)非貴金屬雙功能電催化劑,，以實(shí)現(xiàn)ORR和OER的高效催化,，對(duì)于推動(dòng)鋅空氣電池的商業(yè)化至關(guān)重要。

近日,，齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）材料學(xué)部半導(dǎo)體材料與器件創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提出了一種生物-化學(xué)策略,，通過(guò)構(gòu)建沸石咪唑框架（ZIF）@酵母前體來(lái)制備鈷納米粒子（CoNPs）和鈷/鎳-N₄-C共嵌入氮摻雜多孔碳（CoNPs&Co/Ni-N₄-C@NC）催化劑（圖1）。酵母細(xì)胞豐富的氨基為鈷/鎳離子的錨定提供了可能,，并通過(guò)酵母細(xì)胞的生物礦化效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了Co/Ni-ZIF@酵母前體的構(gòu)建,。這種功能設(shè)計(jì)不僅誘導(dǎo)了CoNPs和Co/Ni-N₄-C位點(diǎn)在氮摻雜碳中的形成，還調(diào)節(jié)了多孔結(jié)構(gòu)以暴露這些位點(diǎn),。CoNPs,、Co/Ni-N₄-C和多孔氮摻雜碳之間的協(xié)同作用展現(xiàn)出優(yōu)異的電催化動(dòng)力學(xué)，為高性能催化劑的制備提供了一種有效策略。

圖1 Co NPs&Co/Ni-N₄-C催化劑的生物-化學(xué)合成策略

Co NPs&Co/Ni-N₄-C催化劑的Co,、Ni負(fù)載量分別為15.5 wt%,、2.31 wt%，比表面積為425.26 m² g^-1,。大的比表面積使得其暴露的活性位點(diǎn)更多,，同時(shí)，Co納米顆粒,、Co/Ni-N₄-C和多孔N摻雜碳的協(xié)同作用使Co NPs&Co/Ni-N₄-C@NC催化劑展現(xiàn)了優(yōu)異的催化活性（J_L為6.34 mA cm^-2）和催化動(dòng)力學(xué)（ORR-Tafel斜率為76.3 mV dec^-1,，OER-Tafel斜率為80.4 mV dec^-1，圖2）,。在ZABs中,，10 mA cm^-2電流密度下的放電電壓為1.15 V，2 mA cm^-2電流密度下穩(wěn)定性?xún)?yōu)異（圖3）,。利用生物-化學(xué)策略將Co納米顆粒,、Co/Ni-N₄-C和多孔N摻雜碳成功復(fù)合，提高了催化劑的催化活性,，對(duì)解決ZABs的ORR和OER動(dòng)力學(xué)緩慢問(wèn)題具有重要意義,。

圖2 Co NPs&Co/Ni-N₄-C催化劑的電催化劑性能

圖3 以Co NPs&Co/Ni-N₄-C催化劑組裝ZAB的性能

近日，相關(guān)成果以“Co納米粒子與Co/Ni-N₄-C和N摻雜多孔碳協(xié)同增強(qiáng)電催化動(dòng)力學(xué)”（“Enhancing Electrocatalytic Kinetics via Synergy of Co Nanoparticles and Co/Ni-N₄-C and N-Doped Porous Carbon”）為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《ACS應(yīng)用材料與界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）上,。

齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）材料學(xué)部2021級(jí)碩士生李亞龍為文章的第一作者,。吳擁中教授、徐小龍副教授為文章的共同通訊作者,。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金,、山東省自然科學(xué)基金、齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）等的支持,。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c00084

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其他相關(guān)成果：

(1) Engineering Strategy for Enhancing the Co Loading of Co–N₄–C Single-Atomic Catalysts Based on the ZIF-67@Yeast Construction, ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 34, 40451–40458. https://doi.org/10.1021/acsami.3c06886

(2) 一種基于沸石咪唑酯骨架-67/酵母復(fù)合結(jié)構(gòu)的高負(fù)載單原子催化劑制備方法, 授權(quán)公告號(hào)：CN 114768848 B