辛星副教授、王军教授、周明炯副教授、李星教授、Chem. Eng. J.观点：选择性碳包覆克服锌空气电池中活性与稳定性的权衡矛盾- 大数跨境

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辛星副教授、王军教授、周明炯副教授、李星教授、Chem. Eng. J.观点：选择性碳包覆克服锌空气电池中活性与稳定性的权衡矛盾

科学材料站

2025-12-12

导读：辛星副教授、王军教授、周明炯副教授、李星教授、Chem. Eng. J.观点：选择性碳包覆克服锌空气电池中活性与稳定性的权衡矛盾

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文章信息

通过工程化设计选择性碳涂层NiFe合金异质结，克服锌空气电池中活性与稳定性的权衡矛盾

第一作者：李海超，张乔

通讯作者：周明炯*，李星*，王军*，辛星*，

单位：宁波大学，南方科技大学

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研究背景

锌空气电池因其超高的理论能量密度（1086 Wh kg⁻¹）、安全性高（使用不可燃水电解质）和低成本（锌资源丰富）而成为极具潜力的储能技术。然而，其空气电极上氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的缓慢动力学，以及缺乏高效、稳定的双功能催化剂，导致电池充放电电压间隙大（>0.8 V），严重限制了能量效率和循环寿命。传统贵金属催化剂（如Pt、IrO₂）成本高、稳定性差，且难以同时高效催化ORR和OER。过渡金属基催化剂（如Ni、Fe、Co）虽然成本低、结构可调，但易在碱性电解质中溶解或氧化，稳定性差。碳包覆是一种常见的保护策略，但传统方法往往形成过厚或过薄的碳层：过厚会阻碍活性位点暴露，过薄则无法有效防止金属溶解，导致“活性-稳定性”之间的固有矛盾。

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文章简介

近日，来自南方科技大学的王军教授与宁波大学的周明炯副教授，李星教授，辛星副教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Engineering Selective Carbon-Coated NiFe Alloy Heterojunctions to Overcome the Activity-Stability Trade-off in Zinc-Air Batteries”的观点文章。该观点文章提出了一种选择性碳包覆的氮掺杂镍铁合金异质结催化剂（N-doped NiFe@CNT），通过水热法在碳纳米管上生长NiFe-LDH前体，再经高温退火形成NiFe合金纳米簇，并原位重构出具有多缺陷的网状碳壳。这种结构既保护合金核心免受腐蚀，又通过高度缺陷化暴露了大量活性位点。

图1. 选择性碳包裹解决锌空气电池正极稳定性与选择性的兼容方案。

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本文要点

要点一：高缺陷碳层的成功制备

本文通过一步水热法制备出了LDH负载于CNT上的前驱体，后续通过与三聚氰胺混合热处理成功制备出N-doped NiFe@CNT。通过TEM以及Raman表征可以明显看出N-doped NiFe@CNT具有超薄以及多缺陷度的特点，证明了本文提出的选择性碳包覆的成功实现。

图2. N-doped NiFe@CNT的高分辨率透射电子显微镜图像：(a)颗粒形态；(b)薄碳包覆层(~2 nm)；(c)对应NiFe(100)晶面的FFT衍射图案；(d, e)石墨碳壳与NiFe合金相的晶格条纹。(f) N-doped NiFe@CNT的选区电子衍射(SAED)图谱。(g) N-doped NiFe@CNT尖端锚定网状包裹纳米胶囊结构示意图。(h) 四种催化剂的拉曼光谱。(i) 四种催化剂的BET比表面积与平均孔径对比。

要点二：表现出较高的OER以及ORR催化活性

N-doped NiFe@CNT在所有样品中展现出最优异的OER反应性能，在10、100和200 mA cm⁻²电流密度下仅呈现205、302和375 mV的过电位。这些数值优于商用Pt/C（η10=315 mV；η100=532 mV）和原始碳纳米管（η10=418 mV），表明在测试条件下其性能与Pt/C相当或更优。除此之外，N-doped NiFe@CNT的Tafel斜率值仅为61 mV dec^-1，表明其氧气电解动力学速率显著快于其他样品。凸显了异质结构工程与合金化在优化氧析出反应效率中的关键作用。同时N-doped NiFe@CNT的半波电位(E½)为0.776 V，与商用20% Pt/C（0.814 V）极为接近，同时具有更高的极限电流密度。这些结果凸显了其在商业应用中的巨大潜力。

图4. (a) 催化剂氧析出反应的线性扫描伏安曲线及(b)塔菲尔图。(c) 催化剂氧还原反应的线性扫描伏安曲线及(d)塔菲尔图。(e) N-doped NiFe@CNT在不同转速下的ORR极化曲线及(f) Koutecky-Levich (K-L)图。(g) 本研究评估的催化剂OER过电位与ORR半波电位的对比分析。(h) 本催化剂与近期报道的电催化剂的双功能催化性能比较。

要点三：可应用于高效稳定的锌空气电池

我们将此催化剂封装与Swagelok电池模具中组成R-ZAB电池。该电池实现了0.674伏的低充放电电压差、140 mW cm^-2的峰值功率密度，以及超过840次循环（~140 h，1 mA cm^-2；~60 h，10 mA cm^-2）的卓越循环稳定性。

图6. (a)水系R-ZABs和(b)Swagelok电池模型示意图。(c)基于不同催化剂的ZABs开路特性。(d)分别用N-doped NiFe@CNT和20% Pt/C组装的ZABs在1mA cm^-2条件下的循环稳定性。(e) 基于不同催化剂的ZAB放电极化曲线及对应功率密度。(f) N-doped NiFe@CNT组装的ZAB在10 mA cm^-2电流密度下的循环稳定性。(g) N-doped NiFe@CNT组转的ZAB在不同电流密度下的放电曲线。

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文章链接

Engineering selective carbon-coated NiFe alloy heterojunctions to overcome the activity-stability trade-off in zinc-air batteries

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725126120

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通讯作者简介

周明炯简介：周明炯，副教授，硕士生导师；2012年日本九州大学博士；2013年美国宾夕法尼亚州立大学博士后，2013年以学术骨干引进至宁波大学，长期从事新型储能材料和储能技术的研究。主持承担包括国家自然科学基金、浙江省公益技术应用研究、宁波市重点研发计划、企业横向等项目20余项；已发表SCI论文40余篇，其中包括Adv. Funct. Mater.、J. Chem. Mater. A、J. Power Sources等国际重要期刊；申请或授权发明专利10余件；先后获得浙江省151人才工程、宁波市3315人才计划、宁波市优秀留学人才、宁波市拔尖领军人才第三层次等荣誉；担任Chem. Soc. Rev.、J. Power Sources等期刊审稿人。

李星简介：李星，教授，博士/硕士生导师，2004年中科院大学物理化学专业博士，2006年引进至宁波大学，长期从事纳米储能材料MOFs基功能材料以及有毒有害物质的检测技术的研究。主持承担包括国家自然科学基金面上项目、浙江省公益技术应用研究、宁波市重点研发计划、企业横向等项目10余项；已发表SCI论文160余篇，其中包括Mater. Today Energy、Angew. Chem. Int.Ed.、J. Mater. Chem. A、Nanoscale、Chem. Commun.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Cryst. Growth Des.、Eur. J. Inorg. Chem.；申请或授权发明专利100余件；曾任宁波大学材料科学与工程学院新能源与催化材料研究所所长及化学学科负责人；现任宁波大学材料科学与工程学院“纳米材料与新能源器件团队”负责人，宁波欧美同学会理事，宁波市化学会理事，中国化学会会员，农工党宁大支部组织委员；入选宁波市领军和拔尖人才培养工程第一层次、浙江省浙江省“青年科学家培养计划”、“钱江人才资助计划”、浙江省新世纪“151人才工程”第三层次，宁波市“高新技术企业评审专家”；荣获宁波大学“阳光教授”荣誉称号。

王军简介：王军，男，南方科技大学创新创业学院教授，博士生导师，2012年获得中国科学院宁波材料技术与工程研究所(NIMTE)材料物理与化学博士学位，2012年9月至2018年4月在明斯特大学MEET电池研究中心担任研究员。研究方向集中在可充电电池的电化学动力学研究，以第一作者/通讯作者身份在Chem. Soc. Rev., Nat. Commun., Joule, Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Angew. Chem.等期刊发表SCI论文100余篇。

辛星简介：辛星，女，毕业于中国科学院大学材料物理与化学专业；2013-2018在日本物质材料研究机构做博士后研究，2018年11月以学术骨干引进至宁波大学，作为项目负责人主持包括国家自然科学基金，宁波市2025重大研究计划，宁波市3315创新人才，宁波市揭榜挂帅项目等。以第一作者或通讯作者发表SCI论文60余篇，其中包括Angew. Chem. Int.Ed. 、Advanced Functional materials、ACS Nano、Nano energy、Small、Journal of Materials Chemistry等。获授权专利10项，包括1项美国专利，1项日本专利，1项欧洲专利。致力于新能源材料的研究开发，主要包括：（1）锂金属电池包括锂氧气，锂硫电池，固态电池的研发。（2）电催化在电池领域中的应用。