注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
氧化还原反应（ORR/OER）是燃料电池和金属空气电池中关键的电化学过程，但高效ORR/OER电催化剂的快速大规模生产仍然具有挑战性。近日，来自东莞理工学院的黄俊锋讲师及其合作伙伴提出了一种开创性的微波合成策略，可快速制备千克级ORR/OER双功能电催化剂。该策略利用微波辐照产生瞬时热能，构建连接钴单原子和纳米颗粒的纳米碳桥结构，显著提升了电子/质量传递动力学和活性位点利用率。
燃料电池和锌空电池因其超高理论能量密度成为绿色能源转换的重要选择，但其性能受限于ORR/OER反应的缓慢动力学。目前贵金属催化剂（Pt/C、Ir/RuO2）存在成本高、稳定性差等问题。过渡金属单原子催化剂（M-N-C）因其高原子利用率展现出优势，但孤立M-N4位点的活性和稳定性仍有不足。最新研究通过构建单原子与纳米颗粒的杂化体系实现协同催化：M-N4位点优化氧吸附能，金属NPs增强OER活性和结构稳定性。金属有机框架（如ZIF）是理想的催化剂前驱体，但其传统热解法制备存在金属团聚等问题。微波辅助合成技术具有快速、高效、抑制团聚等独特优势。然而，如何实现高性能催化剂的大规模制备仍是当前面临的主要挑战。
本研究提出了一种高效、可规模化的微波热解策略，用于制备具有碳桥连接的钴单原子/纳米颗粒协同网络双功能ORR/OER电催化剂。该策略采用定制反应器实现分钟级快速热解，单批次产量达1.07 kg，并有效抑制金属团聚，显著优于传统热解法。该策略的关键创新在于构建了“纳米碳桥”管状网络，通过锚定钴颗粒和单原子的功能化碳基体（“桥墩”）与碳纳米管（“桥身”）的协同作用，实现了钴物种与碳基体之间的结构和电子耦合。所得碳桥结构形成分级传质通道，增强电导率和反应物传输，使最优CBCo-800催化剂展现卓越双功能活性（ΔE = 0.696 V），优于商用Pt/C+RuO2（ΔE = 0.707 V）。实验与理论计算表明，Co单原子与纳米颗粒的协同作用优化了氧中间体吸附，降低反应能垒，从而加速ORR/OER动力学。基于CBCo-800的锌空电池实现794 mAh g-1的高比容量和650小时以上的超长循环稳定性。该策略可拓展至多种多孔前驱体，为高性能电催化剂的原子级精准设计与规模化生产提供了可行路径，推动可持续能源技术的发展。
图1. 具有纳米碳桥连接钴活性位点的千克级电催化剂制备。图片来源：Adv. Energy Mater.
密度泛函理论（DFT）计算表明，在Co单原子与金属钴复合位点（CoSA-N4&Co）中，电子从Co纳米颗粒向单原子位点转移，这种优化的电子结构显著促进了催化反应。此外，其决速步能垒最低（ORR: 0.43 V，OER: 0.6 V），进一步证实该复合位点是催化反应的主要活性中心。
图2. DFT模拟揭示背后的潜在机制。图片来源：Adv. Energy Mater.
这一成果近期发表在Advanced Energy Materials 上，文章的第一作者是东莞理工学院黄俊锋讲师，通讯作者为深圳大学邹继兆副教授、三峡大学郑勇讲师、安徽工业大学刘明凯教授。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Facile Microwave Synthesis of Kilogram-Scale Electrocatalysts with Nanocarbons Bridged Cobalt Active Sites for Enhanced Oxygen Electrocatalysis
Junfeng Huang, Xiao Xu, Yusheng Yan, Yong Zheng, Yuechao Yao, Zhangjian Li, Yan Yan, Kwun Nam Hui, Jizhao Zou, Mingkai Liu
Adv. Energy Mater., 2025, DOI: 10.1002/aenm.202500360
黄俊锋简介
黄俊锋硕士生导师，东莞理工学院机械学院讲师。博士毕业于香港理工大学。多年来主要从事金属有机骨架材料的制备及其电催化和医学方向的应用、3D打印技术及其器件制备和大型磁场激发器件的自主研发搭建等研究工作。先后参与多项省市级的科研项目，以第一或通讯作者在《Advanced Energy Materials》、《Journal of Energy Chemistry》、《Journal of Bionanotechnology》、《Applied Surface Science》、《Journal of Energy Storage》等学术刊物上发表学术研究论文18篇。
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：如上所述，我们的研究兴趣是研究金属有机骨架材料的制备及其电催化的应用。众所周知，电催化过程中氧化还原反应（ORR/OER）是关键的电化学过程，但高效ORR/OER电催化剂的快速大规模生产仍然具有挑战性。我们的目标很简单，就是采用微波辅助热解ZIF-67策略，在自主设计的微波-SiC系统构建了具有纳米碳桥结构的钴基催化剂（CBCos）。该技术的核心在于构建了"纳米碳桥"管状网络，通过锚定钴颗粒和单原子的功能化碳基体（"桥墩"）与碳纳米管（"桥身"）的协同作用，实现了钴物种与碳基体之间的结构和电子耦合。这为实现活性位点可控构建和高性能电催化剂制备提供了新思路。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：本项研究中最大的挑战是，如果能够实现大规模碳化制备的同时构建纳米碳桥结构提升催化性能。在这个过程中，我们团队在热解碳化方面的经验积累起了至关重要的作用。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：使用具有纳米碳桥结构的钴基催化剂组装的锌空电池在应用性能方面检测表现优异，其具有高峰值功率密度、比容量和稳定的工作时长，表现出卓越的双功能活性和稳定性，有望替代贵金属催化剂推动锌空电池的商业化应用。
