在可再生能源领域，锌空气电池（ZABs）因其高能量密度、良好稳定性以及丰富的锌资源而备受关注。然而，锌空气电池的性能受限于氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的缓慢动力学。传统的铱、铂和钌等贵金属催化剂，虽然具有优异的催化活性，但成本高昂且稳定性不佳，限制了其商业应用。因此，开发非贵金属双功能电催化剂，以实现ORR和 OER的高效催化，对于推动锌空气电池的商业化至关重要。在可再生能源领域，锌空气电池因其高能量密度、良好稳定性以及丰富的锌资源而备受关注。然而，锌空气电池的性能受限于氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的缓慢动力学。传统的铱、铂和钌等贵金属催化剂，虽然具有优异的催化活性，但成本高昂且稳定性不佳，限制了其商业应用。因此，开发非贵金属双功能电催化剂，以实现ORROER的高效催化，对于推动锌空气电池的商业化至关重要。
近日，齐鲁工业大学（山东省科学院）材料学部半导体材料与器件创新团队 提出了一种生物-化学策略，通过构建沸石咪唑框架（ZIF） @酵母前体来制备钴纳米粒子（CoNPs）和钴/镍 -N4 -C 共嵌入氮掺杂多孔碳（CoNPs&Co/Ni-N4 -C@NC ）催化剂（图1）。酵母细胞丰富的氨基为钴/镍离子的锚定提供了可能，并通过酵母细胞的生物矿化效应实现了Co/Ni-ZIF@酵母前体的构建。这种功能设计不仅诱导了CoNPs和Co/Ni-N4 -C 位点在氮掺杂碳中的形成，还调节了多孔结构以暴露这些位点。CoNPs、Co/Ni-N4 -C 和多孔氮掺杂碳之间的协同作用展现出优异的电催化动力学，为高性能催化剂的制备提供了一种有效策略。
图 1Co NPs&Co/Ni-N 4 -C 催化剂的生物-化学合成策略CoNPs&Co/Ni-N-C
CoNPs&Co/Ni-N 4 -C 催化剂的 Co、 Ni负载量分别为15.5wt% 、2.31wt% ，比表面积为425.26m 2 g -1 。大的比表面积使得其暴露的活性位点更多，同时，Co纳米颗粒、Co/Ni-N4 -C 和多孔N掺杂碳的协同作用使CoNPs&Co/Ni-N 4 -C@NC 催化剂展现了优异的催化活性（JL 为6.34mA cm -2 ）和催化动力学（ORR-Tafel斜率为76.3mV dec -1 ，OER-Tafel斜率为80.4mV dec -1 ，图2）。在ZABs中，10mA cm -2 电流密度下的放电电压为1.15V ， 2mA cm -2 电流密度下稳定性优异（图3）。利用生物-化学策略将Co纳米颗粒、Co/Ni-N4 -C 和多孔N掺杂碳成功复合，提高了催化剂的催化活性，对解决ZABs的 ORR和 OER动力学缓慢问题具有重要意义。CoNPs&Co/Ni-N-C 催化剂催化剂的 Co、 Ni负载量分别为15.5wt% 、2.31wt% ，比表面积为425.26mNi负载量分别为15.5wt%2.31 wt%，比表面积为425.26m-1。大的比表面积使得其暴露的活性位点更多，同时，Co纳米颗粒、Co/Ni-N。大的比表面积使得其暴露的活性位点更多，同时，纳米颗粒、Co/Ni-N-C和多孔N掺杂碳的协同作用使CoNPs&Co/Ni-N和多孔掺杂碳的协同作用使CoNPs&Co/Ni-N-C@NC 催化剂展现了优异的催化活性（J催化剂展现了优异的催化活性（为6.34mA cm-2）和催化动力学（ORR-Tafel斜率为76.3mV dec）和催化动力学（斜率为76.3mV dec-1，OER-Tafel斜率为80.4mV dec斜率为80.4mV dec-1，图2）。在ZABs中，10mA cm，图）。在ZABs中，10mA cm-2电流密度下的放电电压为1.15V ， 2mA cm电流密度下的放电电压为2mA cm-2电流密度下稳定性优异（图3）。利用生物-化学策略将Co纳米颗粒、Co/Ni-N电流密度下稳定性优异（图）。利用生物化学策略将Co纳米颗粒、Co/Ni-N-C和多孔N掺杂碳成功复合，提高了催化剂的催化活性，对解决ZABs的 ORR和 OER动力学缓慢问题具有重要意义。和多孔掺杂碳成功复合，提高了催化剂的催化活性，对解决ZABsORROER动力学缓慢问题具有重要意义。
图 2Co NPs&Co/Ni-N 4 -C 催化剂的电催化剂性能
图 3以 CoNPs&Co/Ni-N 4 -C 催化剂组装ZAB的性能
近日，相关成果以 “Co纳米粒子与Co/Ni-N4 -C 和N掺杂多孔碳协同增强电催化动力学” （ “EnhancingElectrocatalytic Kinetics via Synergy of Co Nanoparticles and Co/Ni-N4 -C and N-Doped Porous Carbon” ）为题发表在国际知名期刊《ACS应用材料与界面》（ACSApplied Materials & Interfaces ）上。近日，相关成果以“Co纳米粒子与Co/Ni-N近日，相关成果以“Co纳米粒子与Co/Ni-N-C和 N掺杂多孔碳协同增强电催化动力学” （ “EnhancingElectrocatalytic Kinetics via Synergy of Co Nanoparticles andCo/Ni-N掺杂多孔碳协同增强电催化动力学“EnhancingElectrocatalytic Kinetics via Synergy of Co Nanoparticles and Co/Ni-N-Cand N-Doped Porous Carbon” ）为题发表在国际知名期刊《ACS应用材料与界面》（ACSApplied Materials & Interfaces ）上。）为题发表在国际知名期刊《ACS应用材料与界面》（ACSApplied Materials & Interfaces）上。
齐鲁工业大学（山东省科学院）材料学部 2021级硕士生李亚龙为文章的第一作者。吴拥中教授、徐小龙副教授为文章的共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、齐鲁工业大学（山东省科学院）等的支持。齐鲁工业大学（山东省科学院）材料学部
2021级硕士生李亚龙为文章的第一作者。吴拥中教授、徐小龙副教授为文章的共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、齐鲁工业大学（山东省科学院）等的支持。
级硕士生李亚龙为文章的第一作者。吴拥中教授、徐小龙副教授为文章的共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、齐鲁工业大学（山东省科学院）等的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c00084论文链接：
参考网页链接https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.4c00084参考网页链接其他相关成果：其他相关成果：
(1)Engineering Strategy for Enhancing the Co Loading of Co–N 4 –CSingle-Atomic Catalysts Based on the ZIF-67@Yeast Construction, ACSAppl. Mater. Interfaces 2023, 15, 34, 40451–40458.https://doi.org/10.1021/acsami.3c06886
(1)Engineering Strategy for Enhancing the Co Loading of Co–N
–CSingle-Atomic Catalysts Based on the ZIF-67@Yeast Construction, ACSAppl. Mater. Interfaces 2023, 15, 34, 40451–40458.https://doi.org/10.1021/acsami.3c06886
(2)一种基于沸石咪唑酯骨架-67/酵母复合结构的高负载单原子催化剂制备方法,授权公告号：CN114768848 B一种基于沸石咪唑酯骨架-67/酵母复合结构的高负载单原子催化剂制备方法授权公告号：CN114768848 B
