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近日，陜西師范大學鄭浩銓教授、林海平教授和曹睿教授合作，設計制備了一種新型高曲率多層彎曲結構（也稱為洋蔥碳結構，onion-like carbon, OLC）納米球包覆Co-N-C（OLC/Co-N-C）材料，如下圖1所示。與20%Pt/C+RuO2復合貴金屬催化劑相比，OLC/Co-N-C催化劑表現出更加優異的ORR/OER電催化活性及Zn-air電池性能和循環穩定性。這項工作為高曲率多層碳納米結構的制備和應用提供了新的見解。
背景介紹
鋅-空氣（Zn-air）電池具有成本低、安全和無污染等優點，被認為是一種理想的儲能技術。當前，貴金屬基催化劑（如Pt/C和RuO2）價格昂貴，而低成本的過渡金屬-氮-碳（M-N-C）催化劑目前仍不能滿足商業要求。對于可充電鋅空氣電池而言，迫切需要在空氣電極上制備用于氧還原/析氧反應（ORR/OER）的雙功能電催化劑。最近研究表明，具有拉伸應變效應和局部電場增強作用的高曲率表面材料已被應用于與能量相關的小分子活化反應中。因此，在M-N-C材料中引入高度彎曲的碳結構是設計更高活性M-N-C電催化劑的一種有效策略。
M-N-C材料可以通過熱解金屬有機框架材料（Metal-Organic Framework, MOF），特別以沸石咪唑啉酸鹽骨架（Zeolitic imidazolate framework, ZIF）前驅體在N2/Ar中熱解來制備的。然而，ZIF前驅體的直接熱解制備的M-N-C材料比表面積低且介孔較少，從而導致傳質效率較低。而在M-N-C材料中，高曲率的結構的引入有望解決這一問題，這些結構不僅可以提高傳質和傳荷性能，并且也會改變電子結構，調節與關鍵其與反應中間體的相互作用。