碳纳米壳封装铁镍电催化剂在可充电锌空气电池中的氧还原与析氧双功能性能研究

【编辑推荐】本研究通过π-π相互作用将碳纳米壳封装的FeNi纳米颗粒负载于石墨烯/碳纳米管等载体，开发出高效双功能电催化剂，在碱性环境中氧还原反应（ORR）半波电位达0.83 V，析氧反应（OER）过电位仅296 mV（10 mA cm?2），锌空气电池功率密度达192 mW cm?2且循环稳定性优异，为非贵金属催化剂结构设计提供新范式。

　　

亮点

碳纳米壳封装的FeNi纳米颗粒通过π-π相互作用锚定在石墨烯和多壁/单壁碳纳米管（MWCNT/SWCNT）上，形成平均粒径仅16 nm的均匀分散体系。这种结构不仅增强金属核与碳壳间的电子转移，还通过调控碳壳层数优化氧中间体（如OH^?、OOH^?）的吸附能，实现ORR半波电位0.83 V和OER过电位296 mV的卓越双功能活性。

样品合成

金属酞菁（MPc）直接热解可形成经典的金属/碳核壳结构。本研究创新性地引入碳载体辅助热解，对比发现载体支撑能有效抑制颗粒烧结，使碳壳层数减少至单层级别，并通过HRTEM和拉曼光谱证实载体表面缺陷位点对纳米颗粒分散的关键作用。

结论

该FeNi@碳纳米壳催化剂在锌空气电池中展现出192 mW cm^?2的峰值功率和600次循环稳定性，其性能超越多数报道的非贵金属催化剂。研究揭示了碳壳厚度与金属电子效应对O₂活化能垒的协同调控机制，为设计下一代能源存储材料提供理论依据。

作者贡献声明

张晓芳：审稿与数据监督；韩璇：初稿撰写与数据采集；单爱贤：形式分析；袁仓：数据整理；张智宏：分析验证；徐莹莹/李安康：方法开发；朱玉成：数据软件处理；邱红梅：方法优化；王荣明：课题设计与统筹。

利益冲突声明

作者声明无任何可能影响本研究结果的财务或个人关系冲突。

致谢

感谢国家自然科学基金（12034002、U24A2023、12404197）和中央高校基本科研业务费的资助。