无基底空间分离热解法制备铁/钴/镍基纳米催化剂及其在高效可充电锌空气电池中的应用

针对锌空气电池(ZABs)中氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)双功能催化剂成本高、稳定性差的问题，研究人员开发了一种无基底空间分离热解沉积策略，成功合成出均匀分散的FeNi@NC纳米催化剂。该催化剂表现出优异的双功能活性(ΔE=0.81 V)，在ZABs中实现234 mW·cm-2 的峰值功率密度和>700次循环稳定性，为廉价高效能源转换材料的设计提供了新思路。

　　

随着全球能源结构转型，可充电锌空气电池(ZABs)因其高达1086 Wh·kg^-1
的理论能量密度和环保特性成为研究热点。然而，其商业化进程长期受制于空气阴极上氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)的缓慢动力学。虽然贵金属催化剂(Pt/C、RuO₂
)性能优异，但其高昂成本和单一功能性难以满足实际需求。更棘手的是，传统合成方法往往面临金属颗粒团聚、碳基质不均匀等问题，导致催化剂稳定性急剧下降。

针对这一系列挑战，中国研究人员创新性地提出了无基底空间分离热解沉积策略。该方法通过物理隔离前驱体分解与产物沉积过程，成功制备出铁/钴/镍纳米颗粒均匀嵌入氮掺杂碳基质(M@NC)的系列催化剂。其中FeNi@NC表现出卓越的双功能活性，在0.1 mol·L^-1
KOH中ORR半波电位达0.76 V，OER过电位仅340 mV@10 mA·cm^-2
。当应用于ZABs时，其峰值功率密度(234 mW·cm^-2
)和循环稳定性(>700次)均超越贵金属基准(Pt/C+RuO₂
)。相关成果发表在《Chinese Journal of Chemical Engineering》上，为设计高性能非贵金属催化剂提供了新范式。

关键技术包括：1) 空间分离热解装置设计，利用嵌套氧化铝舟实现前驱体分解与沉积的物理隔离；2) 原位CNT生长调控，通过金属-尿素比例优化控制碳纳米管形貌；3) 同步辐射X射线光电子能谱(XPS)分析，揭示吡啶氮/石墨氮与M–N–C共价键的构效关系。

【Results and Discussion】部分研究显示：1) 形貌表征证实Ni@NC生成超薄CNT(66.6 nm)，而Fe@NC形成大颗粒碳(114.4 nm)；2) 双金属FeNi@NC获得最小合金颗粒(62.6 nm)和最密CNT阵列，归因于Fe-Ni电子互作抑制奥斯特瓦尔德熟化；3) 电化学测试表明FeCo@NC具有最佳ORR活性(E_1/2
=0.80 V)，FeNi@NC则展现最优OER性能(η=1.57 V@10 mA·cm^-2
)。

【Conclusions】部分指出：该工作通过创新合成方法解决了金属-碳复合材料形貌控制的难题，阐明了双金属协同(Fe-Ni合金诱导电子调制)与界面电荷转移(合金核-石墨碳壳)的增强机制。系统研究表明：1) 过量金属负载或三元体系会降低性能；2) 吡啶氮/石墨氮比例与M–N–C键合状态共同决定活性位点稳定性。这些发现不仅推动了ZABs催化剂的发展，更为多相催化材料的精准设计提供了理论依据。

研究的重要意义在于：首次实现了无基底条件下金属纳米颗粒的尺寸与空间分布精确调控，建立的"组成-结构-活性"关系模型可推广至其他能源转换系统。FeNi@NC催化剂在保持高性能的同时，原料成本仅为贵金属催化剂的1/50，具有显著的产业化潜力。该工作为发展下一代可持续能源存储技术提供了材料基础与方法学指导。