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文 章 信 息
原子层沉积优化双功能催化剂性能，构建高效稳定可再充锌空气电池
第一作者：董芳
通讯作者：张改霞*，孙书会*
单位：加拿大国立科学研究院，加拿大高等工程技术学院
台湾碳能CeTech【W0S1011生碳布&W0S1011H亲水碳布】性能可靠 正品保证 科研必备！
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研 究 背 景
为应对日益严峻的空气污染与能源危机，可再充锌空气电池（ZABs）因其高能量密度、固有安全性及环境友好等优势，成为极具前景的储能技术。然而，其空气电极所依赖的双功能电催化剂在循环过程中过电位大、活性衰减快、结构不稳定等问题，严重制约了电池的性能发挥与寿命延长。尽管贵金属催化剂性能优异，但受限于高成本与资源稀缺性，难以实现商业化应用；碳基复合催化剂虽具备潜力，但仍面临腐蚀与失活风险。
为实现活性与稳定性的协同提升，亟需发展可控的界面调控策略。原子层沉积（ALD）技术因其在纳米尺度上对组成、厚度和结构的精准调控能力，近年来在提升电极材料循环稳定性方面展现出巨大潜力。本研究通过ALD调控构建高效稳定的双功能催化剂，为实现高活性、长寿命锌空气电池提供了新思路。
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文 章 简 介
近日，来自加拿大国立科学研究院的孙书会教授与加拿大高等工程技术学院的张改霞教授合作，在国际知名期刊 Advanced Energy Materials 上发表题为 “Atomic Layer Deposition‐Modified Bifunctional Electrocatalysts for Rechargeable Zinc‐Air Batteries: Boosting Activity and Cycle Life” 的研究论文。本研究针对锌空气电池中双功能电催化剂在循环过程中的结构演化与活性衰减问题，设计了基于氮/磷共掺杂碳纳米管包覆CoFe纳米颗粒（CoFe-NPC）的催化结构，并通过原子层沉积（ALD）构建超薄NiO保护层，兼具界面稳定性与电催化活性。所构建的CoFe-NPC@NiO催化剂表现出优异的双功能性能（ΔE = 0.592 V），并在液流锌空气电池中实现了长达2700小时（接近4个月）的循环稳定运行。通过原位XAS测试与密度泛函理论（DFT）计算，揭示了NiO超薄涂层在优化电子结构、稳定活性位点及提升电化学性能方面的关键作用。该工作为构建高活性、长寿命的先进双功能催化剂体系提供了有效路径与理论依据，推动了锌空气电池关键材料的性能提升与机制理解。
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本 文 要 点
要点一：ALD构建NiO保护层，实现双重增强（活性 + 循环稳定性）
通过原子层沉积（ALD）在CoFe@CNT基底上引入NiO超薄涂层，构建CoFe-NPC@NiO双功能催化剂，显著增强了氧还原（ORR）与析氧（OER）性能，同时提升抗腐蚀性和循环稳定性。
图1. 双功能催化剂CoFe-NPC@NiO的形貌图。
图2. 双功能催化剂的结构表征。
要点二：卓越的电化学性能：ΔE = 0.592 V，2700小时循环稳定性
催化剂CoFe-NPC@NiO在三电极体系中展现出优异的双功能性能（ΔE = 0.592 V），在液流锌空气电池中实现超长循环寿命（2700 h），超过商业Pt/C + RuO₂和大多数先进催化剂。
图3. 双功能催化剂电化学性能。
图 4. 双功能催化剂的锌空气电池性能测试。
要点三： 原位XAS揭示活性位点重构行为与稳定机制
通过原位XAS分析发现，Co活性中心在充放电过程中发生相变重构并稳定演化为CoOOH，有效维持结构与性能稳定，为理解电催化剂稳定性机制提供实验依据。
图5. 双功能催化剂CoFe-NPC@NiO在充-放电过程中的原位重构。
要点四：DFT理论计算揭示NiO调控机制
理论模拟表明NiO纳米簇增强了氧中间体的吸附能力，降低了ORR/OER的能垒，提升了电子结构耦合与反应选择性，验证NiO修饰的双功能活性与稳定性提升机制。
图6. CoFe-NPC@NiO催化模型构型图、吸附能与自由能变化曲线
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文 章 链 接
Atomic Layer Deposition-Modified Bifunctional Electrocatalysts for Rechargeable Zinc-Air Batteries: Boosting Activity and Cycle Life
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202502074
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通 讯 作 者 简 介
张改霞教授：
主要研究领域：新能源转化与存储技术，例如氢能、锂电池、锌空电池、燃料电池等。
简介：加拿大清洁能源领域首席科学家, 加拿大高等工程技术学院Marcelle-Gauvreau 讲席教授， 其研究方向包括：
(1) 纳米材料：石墨烯、纳米碳管、氧化物、氮化物、复合材料，非铂和低铂催化剂等；
(2) 清洁能源器件与系统：锂电池、铝电池、燃料电池、金属空气电池，电解水制氢等；
(3) 原位表征技术：原位同步辐射、原位红外光谱、电化学阻抗等；
(4) 理论计算：DFT, Thermodynamic modeling。
在Nature Communications, Nature Sustainability, Energy Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Angew. Chem. Int. Ed,等国际著名期刊上发表论文200余篇，书籍章节10章，同时获得多个美国专利。
Email: gaixia.zhang@etsmtl.ca
课题组网页：
https://www.etsmtl.ca/en/study-at-ets/professors/gzhang
孙书会教授：
加拿大皇家科学院和加拿大工程院两院院士、加拿大国立科学研究院教授、现任国际电化学能源科学院(IAOEES)副总裁、Springer-Nature 旗下期刊Electrochemical Energy Reviews (IF=28.4)执行主编，Nano Energy (IF=16.8)副主编，及10余种国际学术期刊的编委。长期致力于功能纳米材料的开发及其在清洁能源技术中的应用，包括燃料电池、绿色氢能、锂金属电池、金属空气电池、金属离子电池、二氧化碳转换等, 在Nature Sustainability, Nat. Commun., Science Advances, Energy Environ. Sci., Adv. Mater.，Adv. Energy Mater. JACS, Angew. Chem.等国际著名期刊上发表论文350余篇, 全球前0.05%顶尖科学家 (ScholarGPS)。主编英文专著3部，章节17章，同时获得多个美国专利。
Email: shuhui.sun@inrs.ca
课题组网页：
https://inrs.ca/en/research/professors/shuhui-sun/
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第 一 作 者 简 介
董芳，加拿大国立科学研究院孙书会教授课题组博士研究生。主要研究方向是纳米能源材料用于能源储存和转化，重点从事开发用于氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的双功能催化剂先进材料，以及用于柔性可充锌空气电池及相关能源设备的自支撑空气电极。
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课 题 组 招 聘
孙书会院士课题组和张改霞教授课题组常年招收化学、电化学、电能源转换与存储研究方向的博士生和博士后。
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