高粱秸秆衍生缺陷碳封装FeNi纳米颗粒构建高效双功能氧电催化剂及其在DMFC与锌空电池中的应用

本研究创新性地以高粱秸秆为原料，通过碱/乙醇预处理制备粘结剂（SS binder），构建了氮掺杂缺陷碳封装FeNi合金纳米颗粒催化剂（FeNi@N–5SS）。该材料展现出卓越的双功能氧还原（ORR，E1/2=0.874 V）和析氧反应（OER，Ej=10 mA cm?2=315 mV）活性，其组装的锌空电池（ZAB）具有211.51 mW cm?2的高功率密度和350小时循环稳定性，为生物质基电催化剂开发提供了新思路。

　　

Highlight
本研究亮点在于通过高粱秸秆粘结剂（SS binder）调控碳基体缺陷结构，成功构建了具有三维分级多孔结构的FeNi@N–5SS催化剂。该材料在碱性介质中展现出与贵金属催化剂相媲美的双功能活性：氧还原反应（ORR）半波电位达0.874 V（vs. RHE），析氧反应（OER）在10 mA cm^?2电流密度下过电位仅315 mV。密度泛函理论（DFT）计算揭示了粘结剂改性缺陷碳与氮原子掺杂/FeNi纳米颗粒的协同效应，为设计高效非贵金属催化剂提供了理论依据。

Characterisation of physicochemical properties
如图S1所示，SS粘结剂表现出优异的粘附性能。通过张力计测试（图S1e）证实其粘接强度满足材料制备需求。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示预处理有效去除了木质素特征峰（图S2），X射线衍射（XRD）证实了FeNi合金的面心立方结构（图S3）。透射电镜（TEM）图像清晰展示了纳米颗粒被3-5层石墨碳壳包裹的"核壳结构"（图2a-c），这种结构既能防止合金氧化又促进电子转移。

Conclusion
总结而言，通过碱/乙醇处理高粱秸秆制备的粘结剂可有效提升碳基体缺陷水平。以SS/粘结剂复合物为碳源制备的FeNi@N–5SS催化剂，其独特的3D互连层状多孔结构使材料在ORR（E_1/2=0.874 V）和OER（E_{j=10 mA cm}^?2=315 mV）方面均表现出优异性能。这种由缺陷碳载体、氮掺杂和FeNi合金三者产生的协同效应，为开发低成本、高性能的双功能电催化剂开辟了新途径。