山大张进涛AEM：N掺杂+金属活性位点协同实现高性能锌空气电池

可充电锌空气电池（ZABs）具有低成本、高安全性、高能量密度和零碳排放等优点，然而氧还原/析出反应（ORR/OER）反应动力学缓慢导致的低功率密度、较差的可逆性和能量转换效率阻碍了其商业应用。因此，迫切需要开发用于可充电ZAB的丰富且高效的双功能氧电催化剂，目前仍具有巨大的挑战。

在此，山东大学张进涛教授等人通过简单的自组装-热解策略制备了具有高支链碳纳米管和钴活性位点的3D碳纳米片聚集体（CoCNTs/PNAs）。具体而言，受直接靶向癌细胞的受体和配体亲和力的启发，作者基于壳聚糖和叶酸（FA）的微型仿生配位提供了一个促进金属离子锚定的反应平台。

其中，壳聚糖与FA的预配位作用导致了由纳米片组成的分层聚集体的形成。二者的表面官能团（如羧基、氨基）通过金属-N配位为金属离子提供了锚定位点，可避免过量金属离子的团聚。同时，具有互连碳纳米管的纳米片聚集体的分层结构将有助于有效的电子传递和离子扩散，从而提高电催化性能。此外，N掺杂石墨碳层的约束效应还可保护钴纳米颗粒免受腐蚀浸出，从而优化了电子结构和稳定性。

图1. 电催化机理的DFT计算

因此，优化的CoCNTs/PNAs电催化剂在氧还原（E_1/2= 0.925 V）和析氧（E_{j = 10} = 1.54 V）反应中表现出优于Pt/C-RuO₂催化剂的双功能活性。通过DFT计算，作者发现N掺杂在Co金属位点的d带中心调节中起着极其重要的作用，并降低ORR和OER反应决速步骤的能垒。对于实际应用，基于CoCNTs/PNAs电催化剂在水系电解液中组装的ZAB实现了高达371.6 mW cm^-2的大峰值功率密度及2000小时的出色循环耐久性，优于大多数报道的过渡金属基催化剂。

更重要的是，基于该电催化剂组装的全固态ZAB具有良好的柔韧性、优异的循环稳定性（在2 mA cm^-2下可平稳运行2600分钟）和高往返效率（首圈循环高达76.5%）。总之，这项工作将为通过分层多孔结构设计调整功能电催化的金属-碳载体相互作用开辟一条新途径。

图2. 全固态柔性ZAB的电化学性能

Tuning Co-Catalytic Sites in Hierarchical Porous N-Doped Carbon for High-Performance Rechargeable and Flexible Zn-Air Battery, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202202871

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