多尺度协同优化导向的ZIF&MOG衍生双功能电催化剂原位自组装碳纳米纤维构筑及其在长效锌空电池中的应用

为解决锌空电池(ZABs)中氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)动力学缓慢、贵金属催化剂成本高的问题，研究人员通过静电纺丝技术将ZIF-67与Co-MOG前驱体原位嵌入纳米纤维，经高温碳化制备出兼具高导电性和双功能催化活性的ZM-CNF材料。该催化剂ORR半波电位达0.80 V，OER过电位仅396 mV（10 mA cm?2），组装的锌空电池功率密度达115.7 mW cm?2且循环180小时性能无衰减，为清洁能源存储器件开发提供了新思路。

　　

在能源危机与环境问题日益严峻的背景下，锌空电池(ZABs)因其高能量密度和环保特性成为储能领域的研究热点。然而其商业化进程长期受制于两个关键瓶颈：氧还原反应(ORR)的迟缓动力学需要铂基催化剂加速，而氧析出反应(OER)的高过电位则依赖昂贵的氧化钌(RuO₂)。更棘手的是，这些贵金属催化剂在长期充放电循环(CDC)中易失活，导致电池寿命骤减。如何开发兼具高活性、低成本与长寿命的双功能催化剂，成为推动锌空电池大规模应用的核心挑战。

针对这一难题，江西理工大学的研究团队创新性地将两种明星材料——沸石咪唑酯骨架(ZIF)与金属有机凝胶(MOG)的优势相结合。ZIF-67以其多孔结构和可调控活性位点著称，但导电性差；Co-MOG虽导电优异却存在脆性问题。研究人员采用静电纺丝技术将两者与聚丙烯腈(PAN)共纺，通过高温碳化构建出石墨烯包覆的ZM-CNF碳纳米纤维。这种"协同封装"策略既保留了ZIF-67的催化活性位点，又利用MOG衍生碳网络解决了导电性问题，最终在《Journal of Energy Storage》发表了这项突破性成果。

关键技术包括：1) 溶剂热法制备ZIF-67纳米颗粒；2) 溶胶-凝胶法制备Co-MOG；3) 静电纺丝实现ZIF-67/Co-MOG/PAN三元前驱体纤维的原位复合；4) 高温碳化构建石墨烯导电网络；5) 采用旋转圆盘电极(RDE)测试ORR/OER性能；6) 组装液态锌空电池进行充放电循环测试。

材料表征结果
扫描电镜(SEM)显示ZM-CNF前驱体纤维呈80-120 nm均匀竹节状结构，透射电镜(TEM)证实碳化后形成石墨烯包覆的核壳纤维。拉曼光谱证明材料具有适度石墨化程度(IG/ID=1.02)，氮吸附测试揭示其具备高达598.3 m² g^?1的比表面积和介孔分布，X射线光电子能谱(XPS)检测到Co-N_x活性位点的存在。

电化学性能
在0.1 M KOH电解液中，ZM-CNF的ORR半波电位(0.80 V)接近商用Pt/C(0.82 V)，OER过电位(396 mV@10 mA cm^?2)与RuO₂(370 mV)相当。值得注意的是，其ORR电子转移数达3.94，表明主导四电子反应路径，而OER塔菲尔斜率仅82.3 mV dec^?1，证实快速反应动力学。

锌空电池应用
组装的ZM-CNF电池展现出1.442 V的开路电压和115.7 mW cm^?2的峰值功率密度，充放电循环180小时后电压间隙仅增大0.12 V，远优于贵金属对照组。原位拉曼光谱证实充放电过程中稳定的Co²⁺/Co³⁺氧化还原循环，这归因于石墨烯网络对活性中心的保护作用。

该研究通过"缺陷工程-导电网络"的平衡设计，实现了催化性能与电荷转移效率的协同优化。ZM-CNF材料不仅解决了传统ZIF导电性差和MOG脆性的固有缺陷，更通过原位自组装策略避免了活性组分的团聚失活。其重要意义在于：1) 为非贵金属双功能催化剂设计提供普适性方法；2) 证实多尺度协同调控对提升储能器件性能的关键作用；3) 推动锌空电池从实验室走向实际应用。这种"纳米限域封装"策略可延伸至其他能源转化系统，为碳中和目标下的清洁能源技术发展注入新动能。