伊廷锋/张千玉AFM：碳纳米管自组装三维N/P/S掺杂纳米花，实现高效双功能氧电催化

锌-空气电池(ZAB)是一种理论能量密度高、成本低、环境友好的储能装置，具有广阔的应用前景。ZAB的性能主要受限于空气电极的高极化和较短的使用寿命，因此提高ZAB中ORR/OER过程的动力学具有重要意义。此外，ZABs的商业化在很大程度上受到贵金属催化剂(例如用于ORR的Pt基催化剂和用于OER的RuO₂/IrO₂)的高成本和低储量的限制。因此，合理设计高效低成本的氧电催化剂是优化ZAB电化学性能和实现ZAB实际应用的关键。

近日，东北大学伊廷锋和四川大学张千玉等以(NH₄)₂SO₄为表面活性剂，次磷酸钠为还原剂，制备了高度支化碳纳米管的三维N/P/S掺杂纳米花结构双功能催化剂(Co/SP-NC)。在室温搅拌下，(NH₄)₂SO₄促使二维Zn/Co-ZIF转变为三维纳米花状组装结构，同时为碳基底提供活性S原子；亚磷酸钠在热解过程中诱导3D Zn/Co-ZIF纳米花表面形成高度分支的碳纳米管。

此外，密度泛函理论(DFT)计算证实，N、P、S的引入可以有效活化水分子和氧分子，同时形成大量的缺陷位点，改变Co物种周围的配位环境，大大增加活性中心的数量。适当的P掺杂不仅提高了载体的电子导电性，而且有利于OER/ORR过程中的电荷转移。

因此，所制备的Co/SP-NC催化剂表现出优异的ORR/OER双功能性能，其ORR的半波电位(E_1/2)为0.8603 V，在10 mA cm⁻²电流密度下的OER过电位为343 mV。以Co/SP-NC作为空气电极组装的ZAB显示出1.46 V的开路电压(OCV)，功率密度最高可达187 mW cm⁻²，以及高的比容量(801 mAh g_Zn^-1)，优于Pt/C-RuO₂。

此外，Co/SP-NC还表现出良好的循环稳定性(>280小时)，证实了高度支化的碳纳米管Co/SP-NC空气阴极具有巨大的商业应用潜力。综上，该项工作突出展示了Co/SP-NC优异的结构和组成特性，为下一代高性能可充电ZAB的三维纳米结构构建和活性中心调控提供了参考范例。

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