光增强型p-n异质结双钴位点催化剂助力高性能锌空气电池

为解决锌空气电池(RZABs)中氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)动力学缓慢、活性位点易聚集等问题，研究人员通过"静电纺丝+煅烧+球磨"策略构建了g-C3N4-Co@CNT/Co-N4/C@CNF光催化-电催化协同体系。该材料具有II型p-n异质结结构和双活性位点(Co纳米颗粒与Co-N4单原子)，在光照下ORR/OER过电位差仅0.684 V，组装的液态和柔性锌空气电池分别实现310 mW cm?2峰值功率密度和1100小时循环寿命，为太阳能-电化学能源转换提供了新思路。

　　

在能源转型的大背景下，锌空气电池因其理论能量密度高达1084 Wh kg^?1、原料丰富且环境友好等特点，被视为极具潜力的下一代储能器件。然而，其实际应用长期受限于空气阴极上缓慢的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)动力学。虽然钴-氮-碳(Co-N-C)材料作为非贵金属催化剂展现出良好前景，但传统制备方法易导致活性位点团聚，且绝缘粘结剂的使用会阻碍电荷传输。更棘手的是，单纯依靠电催化剂设计已接近性能瓶颈，亟需引入外部能量场来突破这一限制。

针对这些挑战，东华大学的研究团队创新性地将光电催化与电催化相结合，设计出具有"海带状"形貌的g-C₃N₄-Co@CNT/Co-N₄/C@CNF复合材料。这项研究发表在《eScience》期刊，通过构建II型p-n异质结结构，实现了太阳光能量对电化学反应的精准调控。研究人员采用三步法构建该体系：首先通过静电纺丝技术制备PAN/Co(AC)₂纳米纤维膜；随后在甲醇溶液中诱导Co-MOF原位生长；最后通过高温碳化和球磨工艺整合g-C₃N₄纳米片。这种"桥梁"式结构不仅解决了传统催化剂易团聚的问题，还通过π-π堆叠作用增强了结构稳定性。

材料表征揭示独特结构
扫描电镜显示优化后的材料呈现均匀的"海带状"形貌，比表面积达211.1 m² g^?1。高分辨透射电镜观察到CNT封装的Co纳米颗粒(晶面间距0.208 nm)与原子级分散的Co-N₄位点共存。X射线吸收精细结构分析证实Co平均氧化态为+2，配位数为3.7±0.4，符合Co-N₄构型。特别值得注意的是，紫外可见光谱显示复合材料具有2.32 eV的适中带隙，而莫特-肖特基测试证实了p-n异质结的形成。

光电协同催化性能突破
在0.1 M KOH溶液中，光照使材料的ORR半波电位(E_1/2)提升至0.930 V，Tafel斜率降至71 mV dec^?1，电子转移数接近4。OER性能同样优异，E_j:10仅为1.614 V。密度泛函理论计算表明，g-C₃N₄的引入使Co的d带中心上移至-0.19 eV(更接近费米能级)，将O*→OH*转化能垒降至0.11 eV。这种电子结构的优化显著提升了氧中间体的吸附强度。

锌空气电池性能卓越
基于该催化剂组装的液态锌空气电池在光照下峰值功率密度达310 mW cm^?2，比黑暗条件下提高19%。更令人印象深刻的是，其循环寿命突破1100小时，能量效率保持在63.4%。柔性电池同样表现突出，可承受0°-180°反复弯折，功率密度达96 mW cm^?2。这种"光充电"效应使电池在放电前就积累了额外能量，相当于实现了太阳能和化学能的双重利用。

这项研究的意义不仅在于创造了性能纪录，更重要的是开辟了"光-电"协同催化新范式。通过精确调控p-n异质结界面和双活性位点，实现了太阳能在分子尺度上对电化学反应的精准调控。所发展的"静电纺丝-碳化-球磨"三步法为设计新型光电催化剂提供了普适性策略，推动锌空气电池向实际应用迈出关键一步。未来，这种设计理念还可拓展至其他金属-空气电池体系，为发展清洁能源技术提供新思路。