磷掺杂硼碳氮（P-BCN）催化剂增强氧还原反应性能及其在锌空气电池中的应用

为解决锌空气电池（ZAB）中氧还原反应（ORR）动力学缓慢的问题，研究人员通过一步煅烧法合成磷掺杂硼碳氮（P-BCN）催化剂。实验表明，P-BCN的半波电位（E1/2）达0.823 V，优于未掺杂BCN（0.764 V），且经5000次循环后仅衰减3 mV，展现出卓越的稳定性和4e-选择性。该研究为设计高效金属游离ORR催化剂提供了新策略，推动清洁能源技术发展。

　　

能源危机与环境问题日益严峻，开发高效清洁的能源转换与存储技术成为全球焦点。锌空气电池（ZAB）因其理论能量密度高、成本低等优势备受关注，但其阴极氧还原反应（ORR）动力学缓慢，严重制约电池效率。目前，铂（Pt）基催化剂虽性能优异，但高昂成本和资源稀缺性限制了大规模应用。碳基金属游离材料（如石墨烯、六方氮化硼h-BN）因结构可调、导电性好成为替代选择，但本征催化活性不足。硼碳氮（BCN）结合了h-BN的稳定性和石墨烯的导电性，但其与ORR中间体*OOH结合力弱，导致催化性能受限。

为解决这一难题，河北某研究团队在《Applied Surface Science》发表研究，提出通过磷（P）掺杂调控BCN电子结构，增强*OOH吸附能力。研究人员采用一步煅烧法，以聚乙二醇（PEG-2000）、硼酸、尿素和次磷酸钠为前驱体，在氮气氛围下合成P-BCN纳米片。通过电化学测试、密度泛函理论（DFT）计算及锌空气电池组装，系统评估了材料性能。

关键实验方法

1. 材料合成：900℃氮气氛围煅烧前驱体制备P-BCN；
2. 结构表征：X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）分析化学组成；
3. 电化学测试：循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）测定ORR活性和稳定性；
4. 理论计算：DFT模拟*OOH吸附能及电荷分布；
5. 电池性能：组装ZAB测试开路电压、功率密度和比容量。

研究结果

1. 增强的ORR活性：P-BCN的E_1/2达0.823 V，较BCN提升59 mV，归因于P掺杂诱导的sp³-C缺陷和电荷重分布；
2. 卓越稳定性：5000次循环后E_1/2仅衰减3 mV，远优于BCN（12 mV），归功于B-N-C活性位点稳定化；
3. 机制解析：DFT证实P-BCN对*OOH吸附能（-3.21 eV）显著强于BCN（-2.78 eV），且电荷转移速率提升；
4. 实际应用：P-BCN基ZAB实现1.42 V开路电压、155 mW/cm²峰值功率密度及605 mAh/g比容量。

结论与意义
该研究首次将P-BCN作为ORR催化剂，通过实验与理论结合阐明其性能提升机制：P掺杂优化了*OOH吸附强度，加速电荷转移并提高载流子浓度。P-BCN在ZAB中的优异表现，为金属游离催化剂设计提供了新思路，推动清洁能源器件商业化进程。未来可进一步探索多元掺杂策略，拓展BCN基材料在电催化领域的应用边界。