北京理工大学JMCA：单原子Co分散的跨通道分级碳基高效氧还原电催化剂用于锌-空气电池

第一作者：李柳桦

通讯作者：杨文秀，王博

单位：北京理工大学

单原子催化剂(SACs)，特别是具有最大原子利用率和可调节电子结构的过渡金属-氮-碳(TM-N-C) SACs引起了广泛关注，并在过去十年中得到了迅速的发展和进步。金属有机框架材料(MOFs)，由于独特的结构和组成特征，已成为M-N-C基ORR SACs最突出的前体之一。

然而，目前报道的大多数MOFs衍生催化剂存在三相界面传质差、低本征性能活性中心和活性中心密度低等缺陷。因此，定向设计MOFs催化材料的三相界面和活性位点对提高SACs的ORR催化性能具有重要意义。

北京理工大学王博教授和杨文秀特别研究员团队提出了一种新颖的双模板策略，构建了原子级钴掺杂三维跨通道多层次碳材料作为高性能ORR电催化剂。

由于具有巨大的比表面积(851.2 m² g^-1)、丰富的跨通道、多层级孔分布、拓扑碳缺陷和均匀的原子Co-N₄位点，优化后的CoSA@NPC显示了出色的ORR活性和长期耐久性。此外，为了证明其在能源器件中的应用，CoSA@NPC组装的锌空气电池(ZAB)保持了高开路电压，优越的峰值功率密度和极佳的稳定性。密度泛函理论计算(DFT)表明，丰富的缺陷可以有效地优化Co-N₄位点的ORR过程。

采用“硅模板”和“冰模板”相结合的“双模板”策略合成了CoSA@NPC电催化材料，形貌表征显示CoSA@NPC材料呈现出由空心球和空心纳米棒通道组装而成的三维跨通道多孔结构，这赋予了材料巨大的比表面积以及多层级的孔径分布，能有效改善ORR过程中的质量传输。球差电镜清楚地显示CoSA@NPC中钴元素以单原子的形式存在，对应的EDX元素映射图表明Co、N、C、O四种元素均匀分布。

要点二：出色的ORR性能

CoSA@NPC在碱性介质中的氧还原半波电势达到了0.878 V vs. RHE, 优于商业化的Pt/C材料，同时具有更大的TOF值，质量活性，CV循环5000次之后半波电势仅仅下降了3mV，i-t测试中CoSA@NPC在50h后仍然保持92.6%的效率，表明了材料出色的稳定性。

要点三：锌空气电池和理论计算

CoSA@NPC作为阴极材料组装的锌空气电池具有1.44 V的开路电压，153.6 mW cm^-2的峰值功率密度，905 mAh g^-1的比容量，值得一提的是，在充放电长循环测试中保持了350h的稳定性。同时，理论计算表明，CoSA@NPC中的缺陷有效地调节了纯Co-N₄活性位点的电子结构，极大地改善了Co-N₄位点对氧气中间体的吸附，促进了ORR活性。

要点四：结论与展望

我们报道了CoSA@NPC的合成及其高效的ORR性能、超强循环稳定性的锌空气电池。本研究提供了一种新颖有效的方法来合成非贵金属基电催化材料，对于金属空气电池、燃料电池的进一步商业化发展开辟了新的思路。

Atomically Co dispersed cross-channel hierarchical carbon-based electrocatalyst for high-performance oxygen reduction in Zn-Air battery

王博教授简介：北京理工大学教授、博导，校党委常委、副校长，国家高能量物质前沿科学中心主任。国家杰出青年科学基金项目获得者；入选国家“万人计划”领军人才、国家创新人才推进计划中青年科技创新领军人才。

获“科睿唯安世界高被引科学家”，“中国化学会青年化学奖”，北京青年五四奖章等荣誉。担任教育部科技委委员，担任国际IZA学会MOF常务理事，国际电化学能源科学院（IAOEES）理事，中关村氢能技术联盟副理事长，中国交通部环境与可持续发展学会理事。中国化学快报、中国化学学报等杂志编委。

杨文秀教授简介：杨文秀，北京理工大学，博导，副教授。主要从事功能化纳米材料的合成及其在催化、新能源领域的应用（电解水、锌–空气电池、燃料电池和CO₂还原等）。近年来，已经以第一/通讯作者的身份在Trends Chem.（Cell子刊）、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、ACS Energy Lett.等国际著名期刊上发表论文25篇，申请中国发明专利6项，获权3项。作为项目负责人主持国家自然科学基金面上项目、青年基金项目和中国博士后科学基金各一项。

投稿请联系contact@scimaterials.cn