北京化工大学向中华教授，CEJ：高熵尖晶石氧化物耦合共价有机聚合物用于锌-空气电池双功能氧电催化剂

第一作者：杨博龙

通讯作者：翟玲玲*，向中华*

单位：北京化工大学，西安工程大学，北京龙源新能源工程设计研究院

在探索可持续能源解决方案的过程中，双功能电催化剂因其在能源转换和存储系统中的核心作用而成为研究的热点。锌-空气液流电池作为一种高效能源存储技术，其性能优化依赖于高效的氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）催化剂。然而，传统催化剂系统在同时优化ORR和OER活性方面存在固有限制，这阻碍了锌-空气液流电池技术的进一步发展。

基于此，来自北京化工大学的向中华教授等人在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“High-entropy spinel oxides coupling with covalent organic polymers as bifunctional oxygen electrocatalysts for zinc-air batteries”的研究型文章。该文章通过将高熵尖晶石氧化物与FeN₄活性位点结合的策略，充分发挥两者的协同效应，旨在解决传统单功能催化剂在锌-空气液流电池中遇到的限制。

Fig. 1. The synthesis mechanism of FeP-HESOs/C.

要点一：高熵尖晶石氧化物耦合酞菁铁基cop制备高效电催化剂。

Fig. 2. (a) The ¹³C solid-state NMR spectrum and (b) the FT-IR spectrum of as-prepared COP-Fe. (c) SEM and (d, e) TEM images of FeP-HESOs/C. (f) The corresponding elemental mapping images of FeP-HESOs/C.

要点二：高熵尖晶石中多种高价金属元素的合金效应不仅可以优化OER活性，还能通过电子协同作用显著提高FeN₄位点的ORR性能。

Fig. 3. (a) The overall LSV curves of the FeP-HESOs/C catalyst and benchmark of Pt/C+IrO₂ measured in oxygen-saturated 0.1 M KOH alkaline electrolyte. (b) The mechanism of rechargeable ZABs. (c) Polarization curves and discharge power density of ZABs driven by FeP-HESOs/C and 20% Pt/C. (d) Open-circuit voltage stability test, (e) specific capacitance test and (f) discharging performance test at different current densities (5, 10, 20, 40 mA cm⁻²) of ZABs driven by FeP-HESOs/C. (g) Stability test of ZABs driven by FeP-HESOs/C and 20% Pt/C+IrO₂ at 10 mA cm⁻².

要点三：理论计算进一步验证了FeP-HESOs/C的催化反应机理。

Fig. 4. (a) Crystal structure diagram of NiFe₂O₄ and HESOs. (b) The band structures and density of states (DOS) of NiFe₂O₄ and HESOs. (c) The PDOS of Ni-3d and Fe-3d on NiFe₂O₄ and HESOs.

要点四：前瞻

通过电子结构调控策略将高熵尖晶石氧化物的多元素复合优势与酞菁基共价有机聚合物中的FeN₄活性中心相结合，精心构筑了一种新颖的ORR/OER双功能电催化剂。这种创新催化剂不仅优化了锌-空气液流电池的综合性能，更在电化学活性、稳定性和经济效益方面取得一定优势。电化学测试揭示了FeP-HESOs/C 在10 mA cm^-2电流密度下呈现出的低过电位以及与IrO₂基准催化剂相比的卓越稳定性，彰显了其在现实能源转换系统中应用的巨大潜力。在锌-空气液流电池的性能测试中，FeP-HESOs/C 催化剂展示出的峰值功率密度（179.2 mW cm^-2）也显著超越 20% Pt/C+IrO₂（105.8 mW cm^-2），这一结果证明了其在催化效率和动力学方面的优异表现。

High-entropy spinel oxides coupling with covalent organic polymers as bifunctional oxygen electrocatalysts for zinc-air batteries

向中华，北京化工大学化学工程学院教授，博导；国家重点研发计划项目负责人。2007年获湘潭大学学士学位；2013年获北京化工大学博士学位；2013~2014年在美国凯斯西储大学博士后；2014年至今在北京化工大学工作。主要从事共价有机聚合物（COP）能源材料的分子设计与工程制备。近年来在《Angew. Chem. Int. Ed.》、《Adv. Mater.》、《JACS》、《Science Adv.》、《Nature Commun.》、《AIChE J》等SCI期刊发表论文110余篇。授权发明专利21件，其中6件已转让。牵头承担科技部重点研发计划、国家自然科学基金国际合作重点项目、国家自然科学基金青年科学基金项目（B类）、北京市杰青、中石油、金川集团等企业委托研发项目。获2024国际发明家协会联合会（IFIA）最佳发明奖；2024年度北京市科技奖人物奖——杰出青年中关村奖；教育部自然科学一等奖（2/4）；中国可再生能源学会优秀科技人才奖；中国化工学会第九届侯德榜化工科技青年奖；2017年入选第三届中国科协青年人才托举工程。任《Green Chemical Engineering》、《eScience》、《Chinese Chemical Letters》期刊青年编委；中国可再生能源学会青年工作委员会副主任；中国可再生能源学会氢能专业委员会委员；中国化工学会国际学术交流工作委员会委员等。

杨博龙：2024年6月获北京化工大学化学工程与技术专业博士学位，导师向中华教授。2024年9月入职西安工程大学，主要研究方向集中在氧电催化剂的可控制备以及能源催化器件的高效构筑。目前发表高水平论文30余篇，以第一作者身份在Adv. Mater., Nano Energy, ACS Nano等高水平期刊发表学术论文15篇。主持西安市科协青年人才托举计划项目，陕西省教育厅自然科学专项项目，西安工程大学青年拔尖人才等项目。