氮掺杂碳纳米片锚定钴纳米颗粒促进锌/镁空气电池氧还原动力学的绿色催化研究

　　为解决金属-空气电池中氧还原反应(ORR)动力学缓慢、贵金属催化剂成本高的问题，研究人员通过溶剂热-热解策略构建了锚定钴纳米颗粒的氮掺杂碳纳米片(Co/NC)催化剂。该材料具有丰富的表面活性位点和结构缺陷，其ORR活性与稳定性媲美商用Pt/C，组装的Zn/Mg-空气电池性能更优，为绿色可持续能源存储提供了非贵金属催化解决方案。

　　

随着全球对清洁能源需求的激增，金属-空气电池因其理论能量密度高、环境友好等特点成为储能领域的研究热点。然而，这类电池的氧还原反应(ORR)存在动力学缓慢、过电位高等瓶颈问题。目前依赖的铂基(Pt/C)催化剂虽性能优异，但受限于稀缺性和高昂成本，难以大规模应用。如何开发兼具高效、稳定、低成本的非贵金属ORR催化剂，成为推动金属-空气电池商业化的关键挑战。

新疆大学的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表研究，通过溶剂热-热解策略将超小钴纳米颗粒锚定在氮掺杂碳纳米片(Co/NC)上，成功制备出具有丰富活性位点和结构缺陷的电催化材料。该工作创新性地利用钴的3d轨道电子特性调控活性中心电子结构，显著提升了ORR动力学性能。实验表明，Co/NC在碱性介质中的半波电位达到0.85 V，塔菲尔斜率低至68.9 mV dec^-1
，且经过200小时稳定性测试后电流密度保持率达90%，性能媲美商用Pt/C。更令人振奋的是，以其为空气阴极组装的锌空气电池展现出780 mAh g^-1
的比容量，镁空气电池也能驱动由100个LED组成的"XJU"阵列，实际应用潜力突出。

关键技术方法包括：1) 以钴硝酸盐和均苯三甲酸为前驱体，通过溶剂热法合成Co-BTC模板；2) 高温热解过程中引入氮源实现碳骨架掺杂；3) 采用透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)表征材料形貌与电子结构；4) 通过旋转圆盘电极(RDE)测试评估ORR电化学性能；5) 组装液态锌/镁空气电池进行实际工况验证。

【Characterizations】部分揭示：扫描电镜显示Co/NC呈现独特的纳米片层结构，XPS证实材料中存在Co-N_x
活性位点和吡啶氮等关键组分。同步辐射分析表明，钴纳米颗粒与氮掺杂碳基体间的电子转移优化了ORR中间体的吸附能。

【Conclusions】部分强调：该研究通过精准调控Co-N-C活性中心的电子结构，实现了ORR动力学的显著提升。理论计算证实结构缺陷和Co-N₄
位点协同降低了反应能垒。这种溶剂热-热解策略为设计非贵金属催化剂提供了新思路，对推动可持续能源器件发展具有重要意义。

讨论部分指出，相较于传统ZIF衍生物催化剂，Co/NC的特殊二维结构提供了更高效的传质通道和更多暴露的活性位点。作者特别提到，未来可通过引入其他过渡金属构建双原子位点，进一步优化电子给受体能级匹配。该工作获得国家自然科学基金(22469021、22278348)等项目的支持，为金属-空气电池的实用化进程注入了新动能。