鋅-空氣電池(ZAB)是一種理論能量密度高、成本低、環(huán)境友好的儲(chǔ)能裝置，具有廣闊的應(yīng)用前景。ZAB的性能主要受限于空氣電極的高極化和較短的使用壽命，因此提高ZAB中ORR/OER過(guò)程的動(dòng)力學(xué)具有重要意義。此外，ZABs的商業(yè)化在很大程度上受到貴金屬催化劑(例如用于ORR的Pt基催化劑和用于OER的RuO₂/IrO₂)的高成本和低儲(chǔ)量的限制。因此，合理設(shè)計(jì)高效低成本的氧電催化劑是優(yōu)化ZAB電化學(xué)性能和實(shí)現(xiàn)ZAB實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。

近日，東北大學(xué)伊廷鋒和四川大學(xué)張千玉等以(NH₄)₂SO₄為表面活性劑，次磷酸鈉為還原劑，制備了高度支化碳納米管的三維N/P/S摻雜納米花結(jié)構(gòu)雙功能催化劑(Co/SP-NC)。在室溫?cái)嚢柘拢?NH₄)₂SO₄促使二維Zn/Co-ZIF轉(zhuǎn)變?yōu)槿S納米花狀組裝結(jié)構(gòu)，同時(shí)為碳基底提供活性S原子；亞磷酸鈉在熱解過(guò)程中誘導(dǎo)3D Zn/Co-ZIF納米花表面形成高度分支的碳納米管。

此外，密度泛函理論(DFT)計(jì)算證實(shí)，N、P、S的引入可以有效活化水分子和氧分子，同時(shí)形成大量的缺陷位點(diǎn)，改變Co物種周圍的配位環(huán)境，大大增加活性中心的數(shù)量。適當(dāng)?shù)腜摻雜不僅提高了載體的電子導(dǎo)電性，而且有利于OER/ORR過(guò)程中的電荷轉(zhuǎn)移。

因此，所制備的Co/SP-NC催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR/OER雙功能性能，其ORR的半波電位(E_1/2)為0.8603 V，在10 mA cm^?2電流密度下的OER過(guò)電位為343 mV。以Co/SP-NC作為空氣電極組裝的ZAB顯示出1.46 V的開(kāi)路電壓(OCV)，功率密度最高可達(dá)187 mW cm^?2，以及高的比容量(801 mAh g_Zn^-1)，優(yōu)于Pt/C-RuO₂。

此外，Co/SP-NC還表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性(>280小時(shí))，證實(shí)了高度支化的碳納米管Co/SP-NC空氣陰極具有巨大的商業(yè)應(yīng)用潛力。綜上，該項(xiàng)工作突出展示了Co/SP-NC優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和組成特性，為下一代高性能可充電ZAB的三維納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建和活性中心調(diào)控提供了參考范例。

Self-assembled 3D N/P/S-tridoped carbon nanoflower with highly branched carbon nanotubes as efficient bifunctional oxygen electrocatalyst toward high-performance rechargeable Zn-Air batteries. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202313491