开发具有高催化活性和良好稳定性的储量丰富的氧还原反应（ORR）电催化剂用于实用化的金属-空气电池仍然是一个巨大的挑战。

近日，新加坡南洋理工大学Xuehong Lu，Zheng Liu，海南大学Yipu Liu报道了开发了一种高效、耐用的ORR电催化剂，它由原子分散的Co-N₄基团形式的Co单原子（Co-SAS）和共锚定在含氮多孔碳纳米笼上的小Co纳米颗粒（Co-SNPs）组成（Co-SAS/SNPs@NC）。

文章要点

1）研究人员将Co(NO₃)₂·4H₂O和Zn(NO₃)·6H₂O与2-甲基咪唑(2-MIM)一起加入到甲醇中，在ZIF-8分子筛的组装过程中引入了Co。当原料Zn/Co质量比为1/0、15/1、10/1和5/1时，得到的金属-有机骨架（Zn/Co-ZIFs）分别命名为ZIF-8、Zn₁₅/Co₁-ZIFs、Zn₁₀/Co₁-ZIFs和Zn₅/Co₁-ZIFs。在Zn₁₅/Co₁-ZIF中，Zn物种占据了ZIF中的大部分金属位置，有利于Co物种的有效分离。因此，可以在原子水平上实现Co物种的空间隔离。然后在氩气气氛下对得到的Zn/Co-ZIF进行了峰值温度为920 °C的热解。对于Zn₁₅/Co₁-ZIF，沸点相对较低（907 °C）的Zn物种将被蒸发，从而促进Co物种的分离，从而使Co物种被还原为锚定在掺氮多孔碳纳米笼上的Co单原子（Co-SAS@NC）。对于Zn₁₀/Co₁-ZIF，一些Co物种被还原为Co单原子，而一些Co物种聚集成小的Co-NPs，并共同锚定在氮掺杂的碳载体(Co-SAS/SNPs@NC)上。随着前驱体中Co物种含量的进一步增加，Zn₅/Co₁-ZIF中Co物种之间的空间距离将变得相当小。因此，在热解过程中，更多的Co物种会被还原成更大的Co NPs，导致Co原子的严重团聚(Co-NPs@NC)。

2）Co-SAS/SNPs@NC催化剂在碱性介质中表现出优异的ORR活性和显著的稳定性，其性能优于Co-SAS基催化剂（Co-SAS@NC）和基准Pt/C催化剂，这得益于Co-SAS和Co-SNPs的协同效应，以及石墨化程度的提高提高了碳基体的防腐能力。

3）密度泛函理论（DFT）计算表明，Co-SNPs和Co-N₄位点之间的强相互作用可以提高Co-SAS/SNPs@NC中活性Co原子的价态，调节ORR中间体的吸附自由能，从而促进O₂的还原。

4）采用Co-SAS/SNPS@NC催化剂组装的实用型锌-空气电池，在50 mA cm^-2时的最大功率密度为223.5 mW cm^-2，比容量为742W h kg^-1，同时，具有良好的循环稳定性。

参考文献

Zhe Wang, et al, Understanding the Synergistic Effects of Cobalt Single Atoms and Small Nanoparticles: Enhancing Oxygen Reduction Reaction Catalytic Activity and Stability for Zinc-Air Batteries, Adv. Funct. Mater. 2021

DOI: 10.1002/adfm.202104735

https://doi.org/10.1002/adfm.202104735