综述：锌空气电池中碳纳米纤维的催化设计：从原子工程到多尺度协同优化

本综述系统阐述了通过原子级工程与多尺度协同策略优化碳纳米纤维（CNFs）在锌空气电池（ZABs）中的应用，重点揭示了其作为催化剂载体与活性材料在提升氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）中的关键作用，为高性能碳基催化剂设计提供了重要理论依据。

　　

Abstract

在全球能源需求持续增长与环境问题日益严峻的背景下，开发新型、高效且环境友好的能源存储系统至关重要。锌空气电池（ZABs）因其高能量密度、低成本、环境友好性及优异的安全性能，成为最具潜力的下一代能源存储技术之一。提升ZABs性能的关键在于开发高效催化剂以加速氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）。碳纳米纤维（CNFs）凭借其高比表面积、优异导电性和稳定性，成为理想的催化剂载体和活性材料。本综述重点介绍了通过原子级工程和多尺度优化策略调控CNFs的结构与组成，从而提升其催化活性，实现ZABs性能的突破。通过阐明合成、结构与电化学行为之间的关系，本研究为能源转换与存储系统中高性能碳基催化剂的设计提供了重要见解。

原子级工程策略

原子级工程是优化碳纳米纤维催化性能的核心手段。通过杂原子掺杂（如氮、硫、硼等）可有效调节碳材料的电子结构，增强其与氧中间体的吸附能力。例如，氮掺杂碳纳米纤维（N-CNFs）中吡啶氮和石墨氮的共存显著提升了ORR活性，其半波电位可媲美商业Pt/C催化剂。此外，单原子催化剂（SACs）的引入进一步实现了原子利用效率的最大化，其中金属-N₄位点被证实是ORR和OER的双功能活性中心。

多尺度协同优化

在微观至宏观的多尺度层面，碳纳米纤维的结构设计对其催化性能具有决定性影响。通过静电纺丝、化学气相沉积等方法可制备具有分级孔隙结构的CNFs，其大孔促进传质，介孔提供活性位点，微孔增强吸附能力。同时，三维互联网络结构提升了电子传输效率与机械稳定性。多尺度协同优化实现了活性位点数量、传质动力学与导电性的平衡，从而显著提升ZABs的功率密度和循环寿命。

电化学性能与机制

优化后的CNFs基催化剂在ZABs中表现出优异的电化学性能。其ORR起始电位可达0.92 V（vs. RHE），OER过电位低于340 mV（10 mA cm^-2）。在充放电测试中，基于CNFs的ZABs展现出高达805 mAh g^-1的比容量和200次循环后的性能衰减率低于5%。通过原位光谱技术和理论计算进一步揭示了碳基质中杂原子与金属位点的协同作用机制，以及氧中间体的吸附-脱附动力学过程。

应用前景与挑战

尽管CNFs基催化剂在ZABs中展现出巨大潜力，其大规模应用仍面临挑战。包括批量制备的工艺复杂性、长期循环下的结构稳定性问题，以及在高电流密度下的传质限制。未来研究需聚焦于开发低成本合成方法、构建更稳定的活性位点，并通过人工智能辅助设计多组分协同催化剂。此外，CNFs在柔性ZABs和可穿戴设备中的应用也值得进一步探索。

Conflict of Interest

The authors declare no conflict of interest.