氧缺陷VOx与钴-氮共掺杂碳复合双功能催化剂的构建及其在高效锌空气电池中的应用研究

研究人员针对锌空气电池(ZABs)中OER/ORR反应动力学缓慢的问题，开发了一种新型氧缺陷VOx与(Co/Fe)-N-C协同的双功能催化剂Co-N-C/VOx@NC。该催化剂通过优化d带中心提升氧中间体吸附能，在0.96 V电压间隙下实现卓越的双功能活性，使ZABs获得155 mW cm?2的峰值功率密度和869.2 mAh g?1的比容量，性能超越商用PtRu/C催化剂22.5%，为清洁能源存储技术提供了新思路。

　　

随着全球对清洁能源需求的激增，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备受关注。然而，其商业化进程长期受制于空气电极上氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的缓慢动力学。虽然贵金属催化剂如Pt/C和IrO₂能分别催化单一反应，但高昂成本和双功能活性不足成为瓶颈。更棘手的是，目前非贵金属催化剂难以同时满足高活性与稳定性要求，特别是在强碱性电解液中金属-氮-碳(M-N-C)材料的OER活性易衰减。

针对这一挑战，波兰奥波莱理工大学（Opole University of Technology）的Ritu Rai团队创新性地将氧缺陷氧化钒(VO_x)与钴-氮共掺杂碳(Co-N-C)复合，开发出具有界面协同效应的Co-N-C/VO_x@NC催化剂。该研究通过理论计算与实验验证相结合，发现VO_x的氧空位不仅能提升电子传导性，还能与Co-N_x位点形成电子转移通道，通过调控d带中心优化氧中间体(*OOH/*O)吸附能。相关成果发表在《Sustainable Materials and Technologies》上，为设计高效稳定的双功能催化剂提供了新范式。

研究采用两步法合成策略：首先通过水热法制备Co-VO_x前驱体，随后与锌酞菁(ZnPc)高温共热解构建分级多孔结构。借助X射线光电子能谱(XPS)确认了Co²⁺/Co³⁺和V³⁺/V⁴⁺混合价态的存在，电子顺磁共振(EPR)证实了氧空位浓度与催化活性的正相关性。电化学测试显示，在0.1 M KOH中，该催化剂的ORR半波电位(E_1/2)达0.82 V vs. RHE，OER在10 mA cm^?2的过电位仅340 mV，双功能活性指标ΔE=0.96 V显著优于Fe-N-C/VO_x@NC(1.12 V)和PtRu/C(1.15 V)。

材料表征
透射电镜(TEM)显示VO_x纳米片与碳基体形成三维互联网络，X射线吸收近边结构(XANES)证实Co-N₄配位结构的存在。拉曼光谱中1350 cm^?1(D带)与1580 cm^?1(G带)的强度比(I_D/I_G=1.23)表明碳基质具有丰富缺陷位。

电化学性能
组装液态ZABs测试显示，Co-N-C/VO_x@NC的峰值功率密度达155 mW cm^?2，比PtRu/C高18%。在5 mA cm^?2电流密度下持续放电35小时仍保持95%容量，而PtRu/C在600次循环后衰减达21%。密度泛函理论(DFT)计算揭示，VO_x与Co-N₄界面处的电荷重分布使d带中心上移0.3 eV，将*OOH吸附能降低至-2.14 eV，显著加速决速步反应。

结论与展望
该研究通过构建氧缺陷VO_x与Co-N-C的分子级界面，成功解决了非贵金属催化剂在ZABs中双功能活性不足的难题。特别值得注意的是，VO_x的引入不仅提升了OER稳定性，还通过界面电子耦合效应使ORR活性提升37%。这种"缺陷工程+界面调控"的策略为开发下一代金属-空气电池催化剂提供了普适性思路，但大规模制备中氧空位浓度的精确控制仍是未来研究的重点方向。