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。
齐鲁工业大学（山东省科学院）材料科学与工程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-N4-C催化剂的生物-化学合成策略
Co NPs&Co/Ni-N4-C催化剂的Co、Ni负载量分别为15.5 wt%、2.31 wt%，比表面积为425.26 m2 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Co NPs&Co/Ni-N4-C@NC催化剂展现了优异的催化活性（JL为6.34 mA cm-2）和催化动力学（ORR-Tafel斜率为76.3 mV dec-1，OER-Tafel斜率为80.4 mV dec-1，图2）。在ZABs中，10 mA cm-2电流密度下的放电电压为1.15 V，2 mA 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。
图2 Co NPs&Co/Ni-N4-C催化剂的电催化剂性能
图3 以Co NPs&Co/Ni-N4-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”（“Enhancing Electrocatalytic 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》（ACS Applied Materials & Interfaces）上。
校（院）材料学部2021级硕士生李亚龙为文章第一作者。学部吴拥中教授、徐小龙副教授为文章共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金等的支持。