钴/氮化钴纳米颗粒嵌入硫氮共掺杂碳材料作为双功能电催化剂用于氧还原和氧析出反应

推荐：研究人员针对贵金属催化剂成本高、稳定性差等问题，开发了一种新型Co/Co2N0.67纳米颗粒嵌入S,N共掺杂碳(Co/Co2N0.67/SNC)双功能电催化剂。该材料在碱性条件下表现出优异的ORR（半波电位0.878 V）和OER性能（过电位331 mV），超越商业Pt/C和RuO2基准，为可持续能源技术提供了高效廉价替代方案。

　　

随着化石燃料储量减少和环境问题加剧，开发高效可持续的能源转换技术迫在眉睫。氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)是金属-空气电池和燃料电池等能源器件的核心过程，但其缓慢的动力学和复杂机制严重制约了器件性能。目前，贵金属催化剂如Pt/C(ORR)和RuO₂(OER)虽性能优异，却面临成本高、资源稀缺、甲醇耐受性差等瓶颈。因此，设计兼具高活性、稳定性和成本效益的双功能非贵金属催化剂成为研究热点。

过渡金属(如Co、Fe、Ni)及其化合物因其电子结构可调、储量丰富等优势备受关注。其中，钴基材料因Co^II/Co^III氧化还原电位(1.23 V)接近氧还原电位而表现出独特优势。近年研究发现，将钴物种与杂原子(N、S等)掺杂的碳材料复合，可协同提升导电性和催化活性。特别是钴氮化物(如Co₂N、Co₄N)因其电子态接近费米能级，能有效促进氧中间体的吸附转化。然而，现有合成方法多需复杂步骤，且双功能活性仍有提升空间。

针对这些挑战，韩国釜山国立大学功能材料化学研究所的Khatun A. Jannath、Kyubin Shim和Hae Jin Kim团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表研究，通过创新性地设计钴-二氨基三联噻吩(CoDATT)配合物前驱体，开发出一种新型Co/Co₂N_0.67纳米颗粒嵌入S,N共掺杂碳(Co/Co₂N_0.67/SNC)双功能电催化剂。该工作采用两步法：首先合成CoDATT配合物，随后在800°C热解并经酸洗获得最终材料。通过X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)、X射线光电子能谱(XPS)和同步辐射X射线吸收谱(XAS)等技术系统表征了材料结构，并采用旋转圆盘电极(RDE)、旋转环盘电极(RRDE)等电化学测试评估催化性能。

材料表征方面，HRTEM显示8±2 nm的Co/Co₂N_0.67纳米颗粒均匀分布在碳基质中，XRD证实存在金属Co和Co₂N_0.67晶相。XPS分析表明材料富含吡啶N(398.37 eV)、Co-N(399.59 eV)等活性位点，而XAS证实钴主要以金属态存在。比表面积测试显示酸处理后材料孔径集中在3.5 nm，表面积达284.2 m²/g，为催化反应提供了丰富活性位点。

电化学性能上，该催化剂在0.1 M KOH中展现出卓越的双功能活性：ORR半波电位(E_1/2)达0.878 V，比Pt/C高17 mV；OER过电位(η)仅331 mV，优于RuO₂。动力学分析显示其ORR塔菲尔斜率为68 mV/dec，电子转移数接近4，表明高效的四电子路径。稳定性测试中，经过10小时反应仍保持92.1%的ORR电流，且对甲醇交叉效应表现出优异耐受性。

研究人员通过对照实验揭示了性能提升机制：S,N共掺杂改变了碳骨架的电荷/自旋密度，促进氧分子吸附；Co/Co₂N_0.67纳米颗粒与碳基质的协同作用优化了中间体吸附能；高温热解形成的Co-N键和吡啶N提供了丰富活性位点。特别是Co₂N_0.67中氮原子诱导的电子结构调控，有效降低了OER过程中*OOH中间体的形成能垒。

这项研究的意义在于：开发了一种简便通用的钴配合物衍生策略，为设计非贵金属双功能催化剂提供了新思路；通过精准调控Co-N配位环境和杂原子掺杂，实现了ORR/OER活性的协同提升；材料性能超越商业基准且成本显著降低，有望推动燃料电池、金属-空气电池等能源器件的实际应用。该工作还深入探讨了钴氮化物活性位点的作用机制，为理解过渡金属-氮-碳体系的催化本质提供了重要参考。未来研究可进一步优化热解工艺，探索钴物种的原子级分散，以及拓展该类材料在其他电催化反应中的应用。