01
研究背景
资源的日益减少和化石燃料的日益稀缺是推动清洁和可再生能源替代品发展的关键因素。锌空气电池 (ZAB) 具有高安全性、成本效益高和环境可持续发展等显著特点受到广泛关注。然而，空气阴极上发生的氧还原和析氧反应 (ORR/OER)，由于多个电子转移的动力学速度较慢，导致 ZABs 往返能量效率大大降低。高效的电催化剂对加快反应速率至关重要。虽然 Pt 和 Ir/Ru 等贵金属催化剂的催化性能令人满意，但它们仅限于单一反应 (ORR/OER))，不能用作多功能电催化剂。此外，贵金属催化剂的高成本和耐用性也极大地阻碍了它们的广泛应用。因此，有必要设计出具有成本效益、高性能和经久耐用的双功能电催化剂，以促进可充电 ZAB 的商业应用。
02
研究内容
近日，东北大学伊廷锋教授团队报道了在高度多孔的空心碳球材料上合成了 Co/CoO 异质结双功能 (ORR/OER) 氧电催化剂。异质结的形成增加了可访问活性位点的丰度，优化了电催化反应动力学和反应活性。因此，制备的催化剂 (Co/CoO@N-C-40) 在 ORR/OER 过程中表现出具稳定持久双功能氧电催化活性。 该工作第一作者为东北大学材料科学与工程专业博士生李桃桃。
图1 Co/CoO@N-C-40 催化剂的合成方法和锌-空气电池示意图。
Co/CoO@N-C-40 材料是在40 ℃ 水浴加热温度下，混合硫酸锌/钴胶体在甲醇溶液中自组装形成，随着反应温度的慢慢升高，球体内部的溶解导致了中空结构的形成。
图2 Co/CoO@N-C-40 的 SEM 和 TEM。
合成温度对前驱体样品的形起着重要作用。在不同温度下，反应动力学和热力学发生变化，直接影响材料的生长和形貌。作者探索了不同加热温度对催化剂前驱体的影响，分别在 20 ℃、40 ℃ 和 60 ℃ 下合成了 Co@N-C-20、Co/CoO@N-C-40 和 Co@N-C-60，然后在惰性气体下进行高温热解。SEM 显示 Co/CoO@N-C-40 由于温度升高，反应物的流动性增加，内部微晶完全溶解，壳层厚度变薄，形成了完美的开放式空腔结构。从高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM) 图像可以看出，在单个纳米粒子中，晶格条纹间距为 0.177 nm 的 (200) Co 面和晶格条纹间距为 0.213 nm 的 (200) CoO 面之间存在异质界面，两相的共存表明成功制备了异质结构。
Co/CoO@N-C-40 的 XRD 图在 35.58o 和 43.76o 处显示出明显的新峰，表明存在 CoO/Co 异质结构。Co/CoO@N-C-40 具有多级孔隙和大比表面积 (SSA)，而且 Co/CoO 异构界面促进了氧相关中间产物的电子转移，可以调节了表面工程。
图3 Co/CoO@N-C-40 催化剂的 ORR 性能表征。
作者研究其电催化性能发现 Co/CoO@N-C-40 表现出优异的 ORR 性能，其半波电位可达 0.854 V，Tafel 斜率为 73.44mV dec-1 。旋转环盘电极 (RRDE) 测量催化剂上 ORR 反应的转移电子数和 H2O2 产率。在 0.2 至 0.8 V 的电压范围内，所有样品的 n 值均在 3.95 至 3.99 之间，且 Co/CoO@N-C-40 的 H2O2 产率也最小，仅为 1.12%，这一结果证明了 Co/CoO@N-C-40 在 ORR 反应中主要遵循直接 4e- 转移途径。
图4 Co/CoO@N-C-40 催化剂 OER 性能表征。
Co/CoO@N-C-40 在 OER 中达到10 mA cm-2 的电流密度下过电位仅为 343 mV，Tafel 斜率为 45.8 mV dec-1，从电化学阻抗谱 (EIS) 图来看，Co/CoO@N-C-40 的电荷转移电阻为 10.56 Ω 远低于对照组。Co/CoO@N-C-40 还显示出持久的 OER 活性。经过 5,000 次 CV 循环后，Co/CoO@N-C-40 的过电位仅负移了 11 mV。在 10 mA cm-2 下连续工作 15 小时 Co/CoO@N-C-40 的电流密度可保持其初始值的 87.2%。这些结果表明，Co/CoO@N-C-40 的中空结构促进了异质结的形成，增强了结构和化学稳定性，从而稳定了 Co/CoO@N-C-40 的 OER 活性。
图5 Co/CoO@N-C-40 催化剂的锌空气电池性能及性能对比。
基于该催化剂优异的 ORR/OER 双功能性能，作者将其到组装可充电锌-空气电池中，发现它们具有优于 Pt/C+RuO2 基准电池的开路电压、容量、充放电特性、功率密度、倍率性能。尤其是基于 Co/CoO@N-C-40 催化剂的电池可在 10 mA cm-2 下运行750小时。
03
总结展望
本文采用简单高效的方法合成了空心碳球上衍生 CoO/Co 异质界面的双功能氧电催化剂。Co/CoO@N-C-40 的合理设计提高了 ORR 和 OER 过程中的电荷转移效率和电催化活性。这项工作为制备异质结构催化剂提供了一种新方法，从而丰富了具有 ORR/OER 双功能氧催化剂在清洁能源存储和转换装置中的应用。
04
论文信息
Heterogeneous interface engineering to enhance oxygen electrocatalytic activity for rechargeable zinc–air batteries
Tao-Tao Li, Yu-Rui Ji, Yi-Meng Wu, Peng-Fei Wang, Zong-Lin Liu, Jie Shu and Ting-Feng Yi
Inorg. Chem. Front., 2025,12, 205-216
https://doi.org/10.1039/D4QI02213K
*文中图片皆来源上述文章
点击“阅读原文”直达上述文章
05
通讯作者简介
伊廷锋 教授
东北大学
伊廷锋，东北大学教授 (三级)、博士生导师，秦皇岛分校副校长，主要研究领域为电化学。主持完成国家自然科学基金项目5项，先后入选安徽省教坛新秀 (2013)、安徽省技术领军人才 (2015)、江苏省双创人才 (2019)、河北省333人才工程第二层次人选 (2019)、河北省普通本科院校教学名师 (2021)、河北省师德标兵 (2023)、河北省拔尖人才 (专技)(2024)、2019年度科睿唯安(Clarivate Analytics) 材料科学 (Materials Science) 领域和交叉领域 (Cross-Field)“Top 1%审稿人”、全球Top 2% Scientists榜单 (2019-2024)、全球顶尖前10万科学家排名 (2022-2024)，获第十四届河北省青年科技奖 (2019)。近年来，在 Energy Environ. Sci., Nano Today, Coord. Chem. Rev., Appl. Catal. B-Environ., Adv. Funct. Mater. 等期刊上发表第一/通讯作者论文220余篇，被引用11000余次，H 因子56，28篇论文入选 ESI 高引论文，8篇论文入选 ESI 热点论文，授权排名第一发明专利16项。作为主编出版《锂离子电池电极材料》《钠离子电池技术与应用》著作2部，其中前者入选“十三五”国家重点出版物出版规划项目，获2020年度化学工业出版社优秀图书奖。
推荐阅读
山东大学梁延杰团队 | 超长窄带B区紫外长余辉发光材料与光学标记应用
吉林大学杨英威/张志权/王艳 | 基于金属节点交换的一维晶态配位聚合物骨架构象调控研究
微信改版，公众号文章不再以时间轴排列啦！
将Frontiers Journals设为星标⭐ 不错过更多精彩内容！
喜欢今天的内容？
👇 就来分享、点赞、在看三连吧 👇
