新型“锚定-分散”策略制备高性能CoO@Fe-N-C三功能电催化剂及其在锌空气电池中的应用

本研究针对ORR/OER/HER电催化剂活性不足的难题，通过创新性设计π-π堆叠和静电相互作用的“锚定-分散”策略，成功制备了兼具Fe-Nx位点和CoO纳米颗粒的CoO@Fe-N-C催化剂。该材料在碱性条件下ORR半波电位达0.88?V，OER/HER过电位分别仅360?mV和275?mV（10?mA?cm?2），应用于锌空气电池时展现出134?mW?cm?2的峰值功率密度，为多功能非贵金属催化剂设计提供了新范式。

　　

能源危机与环境污染的双重压力下，开发高效清洁能源转换技术成为全球科研热点。燃料电池和全水解系统因其绿色特性备受关注，但核心反应——氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)和析氢反应(HER)的缓慢动力学成为“卡脖子”难题。目前依赖铂、钌等贵金属的催化剂成本高昂，而廉价过渡金属催化剂又面临活性不足的困境。如何通过精准调控活性位点的原子结构实现“一材多效”，成为突破该领域瓶颈的关键科学问题。

山东大学的研究团队在《Journal of Electroanalytical Chemistry》发表的研究中，另辟蹊径地利用钴(II)四苯基卟啉(CoTPP)与聚吡咯(PPy)的π-π相互作用，以及铁氰根(Fe(CN)_4–6)与PPy阳离子自由基的静电吸引，构建了具有“分子锚定”功能的前驱体。通过精确控制热解过程，成功制备出同时负载Fe-N_x单原子位点和CoO纳米颗粒的CoO@Fe-N-C三功能电催化剂。

关键技术包括：1）通过表面活性剂辅助自组装构建CoTPP分子模板；2）原位聚合制备Fe(CN)_4–6掺杂的PPy网络；3）程序升温热解调控Fe-N_x/CoO活性位点比例；4）旋转圆盘电极测试评估ORR/OER/HER性能；5）锌空气电池全器件验证。

【设计与合成】
研究团队创新性地提出“锚定-分散”双功能策略：静电作用固定铁物种，π-π堆叠确保钴物种均匀分散。前驱体CoTPP/Fe(CN)_4–6@PPy经热解后，XPS证实形成了Fe-N₄配位结构，XRD显示CoO纳米颗粒被碳层包裹。这种独特的“共生结构”通过TEM明场像和元素mapping得到直观验证。

【电催化性能】
在0.1?M?KOH溶液中，催化剂表现出超越商业Pt/C的ORR活性，半波电位正移40?mV。OER测试中仅需360?mV过电位即可达到10?mA?cm^?2电流密度，低于RuO₂基准催化剂。HER性能同样突出，Tafel斜率低至58?mV?dec^?1，证明其具有快速的质子耦合电子转移能力。

【锌空气电池应用】
组装的液态锌空气电池开路电压达1.57?V，峰值功率密度134?mW?cm^?2，是Pt/C+RuO₂体系的1.8倍。在5?mA?cm^?2电流下连续工作120小时仍保持95%效率，远超同类报道。

该研究通过分子工程策略实现了多活性位点的协同增效：Fe-N_x位点优化氧中间体吸附能，CoO纳米颗粒促进水分子解离，而氮掺杂碳基质则加速电子传输。这种“三位一体”的设计理念不仅为多功能电催化剂开发提供了新思路，更推动了锌空气电池等清洁能源设备的实用化进程。值得注意的是，作者Xue Liu等强调该方法可拓展至其他过渡金属体系，为设计“可编程”催化剂开辟了道路。