Co/Mo2C@NC异质结构提升柔性锌空气电池低温性能的研究

本工作通过金属有机框架（MOF）策略构建了钴纳米颗粒/碳化钼（Mo2C）复合电催化剂（Co/Mo2C@NC）。该催化剂凭借Co@NC多面体与Mo2C棒间形成的异质界面耦合效应，展现出优异的氧还原反应（ORR）与析氧反应（OER）双功能活性（ORR半波电位0.866 V，OER过电位288 mV）及稳定性。组装的柔性锌空气电池（FZAB）在-20°C低温下仍能保持121 mW·cm?2的功率密度和419小时循环寿命，为开发耐低温高效催化剂提供了新思路。

　　

材料合成与表征

图1a和图S1展示了MoO₃的扫描电子显微镜（SEM）图像，显示水热合成的MoO₃具有典型的棒状形貌。图1b展示了前驱体ZIF-67的SEM图像，呈现出表面光滑、棱角分明的多面体结构。在800°C退火后，沸石咪唑酯骨架（ZIF）经过受控的热分解过程，通过原位碳化形成稳定的氮掺杂多孔碳骨架，同时Co物种被还原为金属钴纳米颗粒。有趣的是，在高温下，MoO₃棒与ZIF-67衍生的碳源之间发生了有趣的固相反应，导致MoO₃被碳还原为碳化钼（Mo₂C），最终形成Co/Mo₂C@NC异质结构。透射电子显微镜（TEM）图像（图1c-d）清晰地揭示了Mo₂C棒与Co@NC多面体之间的紧密接触界面，这种亲密接触为电荷快速转移和界面协同催化创造了理想条件。高分辨率TEM（HRTEM）图像（图1e）进一步证实了Mo₂C的（101）晶面间距为0.23 nm，以及金属Co的（111）晶面（0.20 nm）的存在。元素 mapping 分析（图1f）显示C、N、Mo和Co元素均匀分布在异质结构中，证明了成功构建了成分均匀的复合材料。

结论

本研究采用简便的"异质结构"热解策略，成功开发了一种MOF衍生的双功能电催化剂（Co/Mo₂C@NC）。研究表明，嵌入氮掺杂碳基质中的钴基活性中心与多面体外围的Mo₂C之间的协同效应，赋予了催化剂卓越的电催化活性和耐久性。理论分析表明，Co/Mo₂C异质结构有效优化了反应能垒，促进了反应中间体的吸附/脱附，从而显著提升了氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）的动力学性能。这项工作为合理设计基于Mo₂C的双金属异质结构，并拓展其在锌空气电池中的应用提供了新的见解。