碳纳米管封装双金属NiCo纳米颗粒的MOF衍生催化剂在锌空气电池中的高效双功能氧电催化研究

为解决锌空气电池中氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)催化剂成本高、稳定性差的问题，研究人员通过热解Ni1Co3-ZIF-67前驱体开发了氮掺杂碳纳米管负载NiCo纳米颗粒催化剂(Ni1Co3/N-CNTs)。该催化剂展现出优异的双功能催化活性，组装的锌空气电池获得1.44V开路电压和812.58 mAh g?1比容量，性能超越商用Pt/C催化剂，为开发高效非贵金属催化剂提供了新思路。

　　

随着化石能源过度使用引发的能源危机日益严峻，开发高效清洁的储能技术成为当务之急。锌空气电池因其理论能量密度高达1086 Wh kg^?1、安全性好且成本低廉，被视为最具潜力的下一代储能装置。然而，其商业化进程却受制于空气阴极上氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)的缓慢动力学——这两个关键反应需要高效的双功能催化剂来加速，但当前主流的贵金属催化剂(Pt/C用于ORR，RuO₂/IrO₂用于OER)存在价格昂贵、单功能局限等问题。更棘手的是，在长期充放电循环中，催化剂颗粒容易团聚失活，导致电池性能急剧衰减。

针对这一系列挑战，平顶山大学的研究团队创新性地设计了一种基于金属有机框架(MOF)衍生的双功能电催化剂。他们选择具有规则孔道结构的Ni₁Co₃-ZIF-67作为前驱体，通过精确调控其与尿素的质量比(1:1、1:2、1:3)进行热解，成功制备出氮掺杂多孔碳纳米管封装NiCo纳米颗粒的系列催化剂(Ni₁Co₃/N-CNTs-X)。这项工作发表在《Journal of Energy Storage》上，为解决锌空气电池催化剂的成本与性能矛盾提供了新方案。

研究团队主要采用三种关键技术：首先通过室温溶液法合成双金属MOF前驱体；其次采用梯度热解法将前驱体转化为碳基复合材料；最后通过系统的电化学测试评估催化性能。特别值得注意的是，他们创新性地引入尿素作为额外氮源，通过调控热解条件实现了催化剂中吡啶氮含量的精确调控。

结构表征部分显示，当Ni₁Co₃-ZIF-67与尿素质量比为1:2时，所得Ni₁Co₃/N-CNTs-2具有最优的形貌特征：透射电镜观察到直径约50nm的碳纳米管均匀分布，高角环形暗场像证实NiCo纳米颗粒被完美封装在管壁中。X射线光电子能谱分析显示该样品吡啶氮含量高达45.6%，远高于其他比例样品，这为后续优异的催化性能奠定了基础。

电化学性能测试结果令人振奋：在0.1M KOH电解液中，Ni₁Co₃/N-CNTs-2的ORR半波电位达到0.82V（vs. RHE），OER在10mA cm^?2电流密度下的过电位仅为320mV，双功能性能指标ΔE=0.69V，显著优于商业Pt/C+RuO₂混合催化剂(ΔE=0.81V)。更令人惊喜的是，在加速耐久性测试后，其ORR活性仅衰减8.3%，远低于Pt/C的32.7%衰减率，这归因于碳纳米管对金属纳米颗粒的稳定锚定作用。

锌空气电池应用验证环节中，采用Ni₁Co₃/N-CNTs-2组装的电池展现出1.44V的开路电压，比Pt/C基准组提高60mV。在5mA cm^?2电流密度下，其比容量高达812.58mAh g^?1，能量密度达到978Wh kg^?1。经过200次充放电循环（每次循环2小时）后，电压间隙仅增大0.12V，展现出卓越的循环稳定性。

这项研究通过巧妙的MOF衍生策略，成功实现了双金属活性中心与氮掺杂碳基体的协同优化。Ni₁Co₃/N-CNTs-2催化剂中，碳纳米管网络不仅提供了高效的电子传导路径，其限域效应还有效防止了金属纳米颗粒的团聚；丰富的吡啶氮位点则优化了邻近碳原子的电荷分布，显著提升了氧中间体的吸附/脱附效率。研究不仅为设计高效非贵金属催化剂提供了普适性方法，更推动了锌空气电池的商业化进程，对发展清洁能源技术具有重要启示意义。