对气候变化的日益关注和全球能源需求的快速增长促进了可再生能源技术的飞速发展，例如燃料电池，金属空气电池和水分解氢的生产。然而，电化学氧反应(即氧还原反应[ORR]和氧析反应[OER])的迟缓动力学严重阻碍了这些可持续能源技术的大规模应用。对于可再充电锌空气电池，涉及的多步电子转移过程在氧气的可逆电化学反应中，需要高效的双功能催化剂来催化ORR和OER。迄今为止，碳载铂（Pt）是ORR的最有效催化剂之一，由于形成了具有低电导率的稳定氧化层而导致OER始终表现不佳。相反，贵金属氧化物，例如钌（Ru）和铱（Ir）氧化物可以有效地催化OER过程，但对ORR表现出非常低的活性。要实现Zn-空气电池的可充电性，将它们结合起来是一种可以实现的方法，但是不幸的是，这些贵金属催化剂总是受到高成本和稀缺性的困扰。多孔碳材料因其独特的结构和性能（如良好的导电性和较大的表面积）而备受关注。杂原子（Fe，Ni，Co，Mn，Cu，N，S，B，P，等等）进入多孔碳基体可以有效地调节碳材料的电荷密度和电子分布，从而提高电催化性能。多孔碳的合成通常采用复杂的方法，如静电纺丝法、软模板法、硬模板法、双模板法、强碱蚀刻法等。合成的掺杂原子多孔碳催化剂在碱性介质中通常表现出优异的ORR性能，有时甚至优于Pt/C催化剂。然而，由于这些材料的内在特性和高电位下的碳腐蚀问题，其OER活性仍远远不能令人满意。为了在不牺牲ORR活性的情况下增强碳材料的OER活性和稳定性，将某些过渡金属化合物(如金属氧化物、氮化物、氢氧化物、硫化物、碳化物和磷化物)及其衍生物引入多孔碳材料是一种有效的策略。

有鉴于此，加拿大国立科学院的孙书会教授、Gaixia Zhang和东华大学乔锦丽教授等人，开发了一种简单、低成本制备氮掺杂多孔碳及类石墨烯层包覆的双金属FeNi合金/氮化物（M@C/NC）催化剂的方法。

本文要点

1）利用生物质纤维素作为碳源，三聚氰胺作为氮源，铁盐和镍盐作为金属源，通过简单的无模板法设计了一种类石墨烯碳层（石墨烯铠甲）包覆的双金属FeNi合金/氮化物金属纳米颗粒高度分散到多孔碳基底上。这种石墨化铠甲策略极大地提高了催化材料的双功能催化活性（△E=0.67V）和抗氧化能力。

2）应用于可充式锌空气电池器件时，实现了～350 mW cm^-2的高功率密度，同时结晶性良好的类石墨烯层和多孔的碳网络防止了金属颗粒在循环过程中的氧化、溶解和脱落，保证了优异的循环稳定性（400h）。

3）利用同步辐射技术，揭示了双功能催化剂高活性和高稳定性的机理，表明这种石墨化层包覆金属纳米晶可以有效地防止高氧化电位条件下的氢氧化。金属纳米颗粒和类石墨烯碳层之间的电子转移可以进一步调控反应中间体的吸附能。

总之，该工作为设计制备复合双功能电催化剂提供了新的思路，有助于推动锌空气电池的应用。

参考文献：

Mingjie Wu et al. Graphitic‐shell encapsulated FeNi alloy/nitride nanocrystals on biomass‐derived N‐doped carbon as an efficient electrocatalyst for rechargeable Zn‐air battery. Carbon Energy, 2020.

DOI: 10.1002/cey2.52

https://doi.org/10.1002/cey2.52