随着全球能源需求的不断增长，清洁和可持续能源技术成为解决未来能源短缺问题的关键。燃料电池和锌空电池因其高能量利用率、高理论能量密度和环保特性，被视为极具潜力的能源转换设备。然而，空气电极上的氧还原反应（ORR）涉及复杂的多步电子转移过程，导致其动力学缓慢，严重限制了其大规模商业化应用。尽管过渡金属氮碳（M-N-C）催化剂因其高原子利用率和可调节的配位环境备受关注，但其在实际应用中仍面临活性金属脱除导致的性能下降问题。

于锋教授和庞欢教授团队通过创新的催化剂设计，成功开发了一种新型CoZn/Zn–N–C催化剂，该催化剂利用CoZn合金与Zn–N–C之间的强相互作用，有效抑制了活性金属的脱除，显著提升了ORR反应的活性和稳定性。通过同步辐射X射线吸收光谱（XANES和EXAFS）和密度泛函理论（DFT）计算，该团队深入揭示了CoZn合金与Zn–N–C之间的电子效应。研究发现，CoZn合金作为电子供体，能够增加Zn–N4周围的电子密度，向Zn–N–C位点转移了0.12个电子，显著降低了Zn的氧化态，从而抑制了脱金属过程，从而缩短Zn–N键并增强其稳定性。

图1. CoZn/Zn–N–C的合成示意图以及形貌结构

图2. 催化剂中Co/Zn组分的配位环境和电子构型

图3. 催化剂的ORR电催化性能评估

DFT计算表明，CoZn/Zn–N–C催化剂中的CoZn合金能够优化*OOH中间体的质子化过程，使反应路径更短、效率更高，并具有最小的过电位。催化剂的d带中心与过电位之间呈现出火山型关系，CoZn/Zn–N–C位于火山顶部，表明其与含氧中间体的相互作用达到了最佳平衡。实验结果显示，CoZn/Zn–N–C催化剂在碱性和酸性条件下分别表现出0.89 V和0.74 V的半波电位，其稳定性远超商用Pt/C催化剂。在锌-空电池（ZAB）测试中，该催化剂展现出480小时的超长稳定性，而在PEMFC中，其峰值功率密度达到380.1 mW•cm-2，展现出优异的实际应用潜力。

图4. 理论计算

图5. CoZn/Zn–N–C催化剂的ZAB和PEMFC测试

该研究不仅为ORR催化剂的设计提供了新思路，还为PEMFC和ZAB的实际应用奠定了坚实基础。CoZn/Zn–N–C催化剂在锌-空电池和PEMFC中的优异表现，展示了其在清洁能源领域的广泛应用潜力。未来，研究团队将进一步优化催化剂性能，推动其在更多能源转换设备中的应用。

该研究成果发表在Journal of Colloid and Interface Science 期刊上。论文第一作者为石河子大学化学化工学院研究生杨振和杨守华，通讯作者为于锋教授和庞欢教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Inhibiting demetalation of Zn-N-C via bimetallic CoZn alloy for an efficient and durable oxygen reduction reaction

Zhen Yang, Shouhua Yang, Ying Tang, Gang Wang, Huan Pang, Feng Yu

J. Colloid Interface Sci., 2025, DOI: 10.1016/j.jcis.2025.137276

导师介绍

于锋

https://www.x-mol.com/groups/yu_feng