在可再生能源領域,，鋅空氣電池（ZABs）因其高能量密度,、良好穩(wěn)定性以及豐富的鋅資源而備受關注。然而，鋅空氣電池的性能受限于氧還原反應（ORR）和氧析出反應（OER）的緩慢動力學,。傳統(tǒng)的銥,、鉑和釕等貴金屬催化劑,，雖然具有優(yōu)異的催化活性,，但成本高昂且穩(wěn)定性不佳，限制了其商業(yè)應用,。因此,，開發(fā)非貴金屬雙功能電催化劑，以實現ORR和OER的高效催化,，對于推動鋅空氣電池的商業(yè)化至關重要,。

近日,，齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）材料學部半導體材料與器件創(chuàng)新團隊提出了一種生物-化學策略，通過構建沸石咪唑框架（ZIF）@酵母前體來制備鈷納米粒子（CoNPs）和鈷/鎳-N₄-C共嵌入氮摻雜多孔碳（CoNPs&Co/Ni-N₄-C@NC）催化劑（圖1）,。酵母細胞豐富的氨基為鈷/鎳離子的錨定提供了可能,，并通過酵母細胞的生物礦化效應實現了Co/Ni-ZIF@酵母前體的構建。這種功能設計不僅誘導了CoNPs和Co/Ni-N₄-C位點在氮摻雜碳中的形成,，還調節(jié)了多孔結構以暴露這些位點,。CoNPs、Co/Ni-N₄-C和多孔氮摻雜碳之間的協(xié)同作用展現出優(yōu)異的電催化動力學,，為高性能催化劑的制備提供了一種有效策略,。

圖1 Co NPs&Co/Ni-N₄-C催化劑的生物-化學合成策略

Co NPs&Co/Ni-N₄-C催化劑的Co、Ni負載量分別為15.5 wt%,、2.31 wt%,，比表面積為425.26 m² g^-1。大的比表面積使得其暴露的活性位點更多,，同時,，Co納米顆粒、Co/Ni-N₄-C和多孔N摻雜碳的協(xié)同作用使Co NPs&Co/Ni-N₄-C@NC催化劑展現了優(yōu)異的催化活性（J_L為6.34 mA cm^-2）和催化動力學（ORR-Tafel斜率為76.3 mV dec^-1,，OER-Tafel斜率為80.4 mV dec^-1，圖2）,。在ZABs中,，10 mA cm^-2電流密度下的放電電壓為1.15 V，2 mA cm^-2電流密度下穩(wěn)定性優(yōu)異（圖3）,。利用生物-化學策略將Co納米顆粒,、Co/Ni-N₄-C和多孔N摻雜碳成功復合，提高了催化劑的催化活性,，對解決ZABs的ORR和OER動力學緩慢問題具有重要意義,。

圖2 Co NPs&Co/Ni-N₄-C催化劑的電催化劑性能

圖3 以Co NPs&Co/Ni-N₄-C催化劑組裝ZAB的性能

近日，相關成果以“Co納米粒子與Co/Ni-N₄-C和N摻雜多孔碳協(xié)同增強電催化動力學”（“Enhancing Electrocatalytic Kinetics via Synergy of Co Nanoparticles and Co/Ni-N₄-C and N-Doped Porous Carbon”）為題發(fā)表在國際知名期刊《ACS應用材料與界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）上,。

齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）材料學部2021級碩士生李亞龍為文章的第一作者,。吳擁中教授、徐小龍副教授為文章的共同通訊作者,。本研究得到了國家自然科學基金,、山東省自然科學基金、齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）等的支持,。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c00084

參考網頁鏈接https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.4c00084

其他相關成果：

(1) Engineering Strategy for Enhancing the Co Loading of Co–N₄–C Single-Atomic Catalysts Based on the ZIF-67@Yeast Construction, ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 34, 40451–40458. https://doi.org/10.1021/acsami.3c06886

(2) 一種基于沸石咪唑酯骨架-67/酵母復合結構的高負載單原子催化劑制備方法, 授權公告號：CN 114768848 B