研 究 背 景

寻找高效的非贵金属双功能催化剂来克服氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）的缓慢动力学，被视为实现锌空气电池（ZABs）商业化的关键挑战。Sabatier原理认为，理想的双功能催化剂需要实现吸附和解吸之间的动态平衡，即“中等结合强度”，这与催化剂的电子构型密切相关，其中d带中心是一个关键描述符。由于其高原子利用效率、高固有活性和低成本，金属有机框架（MOFs）衍生的铁基催化剂被认为是贵金属铂（Pt）基催化剂在ORR中的有前景替代品之一。然而，原子铁位点周围的对称电子分布不利于优化氧中间体的吸附/解吸行为，导致动力学缓慢。因此，精确调节铁活性中心的电子结构仍是提高双功能电催化活性的核心科学问题。

研 究 亮 点

1.“配位-混纺-造孔”策略助力多孔金属-碳纤维构筑：

基于“配位-混纺-造孔”策略，将ZnCoFe-ZIF、聚丙烯腈（PAN）和醋酸纤维素（CA）进行共电纺，获得复合纳米纤维膜（记为ZnCoFe-ZIF@PAN-CA）。随后通过两步热解策略，将其转化为多孔金属-氮-碳纳米纤维（记为Co,Fe@NCNF-900）。其中，碳纳米纤维基质有效分散并稳定了原子级分散的铁位点；而热解过程中锌物种的升华与CA的分解挥发共同形成的多孔结构，增强了金属活性位点与反应物之间的传质效率。

2.同步辐射结合DFT计算解析催化剂电子结构调控：

同步辐射XAFS表征揭示，金属Fe和Co物种分别以单原子和原子簇的形式共存于碳载体上。密度泛函理论（DFT）计算进一步表明，与Fe位点相邻的金属Co物种可诱导Fe位点电荷密度重分布，并导致其d带中心负移。这种电子结构调控有效降低了ORR和OER决速步能垒，从而提升了双功能电催化效率。

3.高效氧电催化活性驱动卓越ZAB电池性能突破：

得益于原子铁位点和金属钴纳米粒子之间的电子相互作用，Co,Fe@NCNF-900催化剂表现出优异的ORR/OER双功能活性（ΔE = 0.72 V）。在液态ZAB中，其峰值功率密度高达 393 mW cm^-2，比容量达 736 mAh g_Zn^-1，并可稳定充放电循环 420 h。在柔性ZAB中，也能实现 31 h 的稳定充放电循环。

成 果 介 绍

本研究通过引入金属钴协同调控原子铁催化剂的电子结构，成功设计并合成了一种多孔金属-氮-碳纳米纤维高效双功能催化剂（记为Co,Fe@NCNF-900）。密度泛函理论（DFT）分析表明，金属钴作为电子供体可诱导电荷密度重分布，导致原子铁位点的d带中心负移，从而有效降低ORR和OER决速步能垒。Co,Fe@NCNF-900催化剂表现出优异的双功能ORR/OER活性（ΔE = 0.72 V）。进一步，以该催化剂组装的液态ZAB展现出高峰功率密度（393 mW cm^-2）、高比容量（736 mAh g_Zn^-1）以及优异的长循环充放电稳定性（可在10 mA cm^-2下稳定运行420 h）。本研究为通过引入额外金属物种调控原子铁催化剂的电子结构、进而提升双功能电催化活性提供了新思路。该成果以“Modulating Electronic Structure of Atomic Iron Catalyst by Metallic Cobalt Cooperation for Boosting Oxygen Reduction/Evolution Reactions in Rechargeable and Flexible Zinc-Air Battery”为题发表在Carbon Energy 上。

图 文 解 析

图1：（A）Co,Fe@NCNF-T的合成过程示意图；Co,Fe@NCNF-900的（B）SEM；（C）TEM；（D）HR-TEM；（E）SAED；以及（F）HAADF-STEM图。

图2：Co,Fe@NCNF-T的（A）PXRD图；（B）拉曼光谱；（C）N2吸附-脱附曲线和孔径分布（PSD）；Co,Fe@NCNF-900的（D）Co 2p；（E）Fe 2p和（F）N 1s的高分辨率XPS光谱图。

图3：（A）Co-Co,Fe@NCNF-900 K-边的XANES和（B）FT-EXAFS光谱图;（C）Fe-Co,Fe@NCNF-900的XANES和（D）FT-EXAFS光谱图;（E）Fe-Co,Fe@NCNF-900的FT-EXAFS拟合曲线，内插图为在R空间拟合曲线；（F）Fe-Co,Fe@NCNF-900的FT-EXAFS在 K空间拟合曲线；（G）Co-Co,Fe@NCNF-900 K-边FT-EXAFS小波变换；以及（H）Fe-Co,Fe@NCNF-900 K-边FT-EXAFS小波变换。

图4：（A）Co,Fe@NCNF-T的CV曲线；Co,Fe@NCNF-T及Pt/C的（B）LSV曲线；（C）塔菲尔斜率；（D）Co,Fe@NCNF-T 的E_1/2和在0.85V下JK的比较；（E）不同转速下的LSV曲线；内插图为相应的K-L图；（F）Co,Fe@NCNF-900及Pt/C的H₂O₂产率，内插图为n值；（G）i-t曲线；（H）1.6 V电势下OER的奈奎斯特图，内插图为相应的等效电路；（I）ORR/OER双功能极化曲线。

图5：（A）可充电液态ZAB结构示意图；（B）10 mA cm⁻²下的放电比容量；（C）使用Co,Fe@NCNF-900或Pt/C的ZAB的极化和功率密度曲线；（D）负载Co,Fe@NCNF-900或Pt/C-RuO₂催化剂的ZAB的充放电极化曲线；（E）Co,Fe@NCNF-900或Pt/C-RuO₂在5mA cm⁻²下液态ZABs的充放电曲线；（F）固态ZAB结构图；（G）负载Co,Fe@NCNF-900的固态ZAB的OCV以及（H）充/放电循环曲线，内插图显示了由三个串联的固态ZAB供电的三色LED（约2.2 V）照片。

图6：（A-D）Co/FeN₄@NC表面（铁位点）与含氧物种的反应路径图；（E-G）FeN₄@NC、Co/FeN₄@NC和Co@NC的电荷密度差；（H）三个模型的氧吸附能图；（I）两个模型的投影态密度（PDOS）图；Co/FeN₄@NC、FeN₄@NC和Co@NC三个模型在（J）ORR和（K）OER过程中自由能图，U=1.23V。

作者简介

万忠民

通讯作者：万忠民教授，湖南理工大学能源与电气工程学院教授，博士生导师，湖南省科技创新领军人才，湖南省杰出青年基金获得者。研究方向主要包括制氢储氢、氢燃烧利用、燃料电池技术及集成应用。

陈伊宇

通讯作者：陈伊宇副教授，湖南理工大学能源与电气工程学院教授，硕士生导师。研究方向主要为氢基动力系统热力学优化与控制、纯氢/掺氢燃烧理论及燃气具开发。

涂正凯

通讯作者：涂正凯教授，华中科技大学能源与动力工程学院研究员，博士生导师，华中学者特聘教授。研究方向主要为氢能与燃料电池研发。

郑和根

通讯作者：郑和根教授，南京大学化学化工学院教授，博士生导师。研究方向涵盖原子簇化学、敏化染料太阳能电池及金属-有机框架材料合成，致力于电催化、锌-空气电池等应用研究。

任爽爽

第一作者：任爽爽副教授，湖南理工大学能源与电气工程学院副教授，硕士生导师。研究方向主要为高性能锌-空气电池催化剂及装备研发。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Modulating Electronic Structure of Atomic Iron Catalyst by Metallic Cobalt Cooperation for Boosting Oxygen Reduction/Evolution Reactions in Rechargeable and Flexible Zinc-Air Battery

文章研究方向：

电催化— —锌空电池

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70234

DOI: 10.1002/cey2.70234

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▲点击图片查看详情，投稿截止时间2026年05月30日

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy

2-年影响因子 24.2

5-年影响因子 23

JCR分区 Q1

CiteScore 26.7

官网 www.carbonenergy.org

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、原温州大学副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续两年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2024年影响因子为24.2，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前八，材料科学（多学科）领域460本期刊中，位列14。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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