鋅-空氣電池（ZABs）的實(shí)際效率、放電功率和循環(huán)穩(wěn)定性受到空氣陰極氧反應(yīng)緩慢動力學(xué)過程的限制，開發(fā)具有高效催化活性且廉價(jià)的陰極材料具有重大意義。無金屬碳基電催化劑具有易獲取、成本低、導(dǎo)電性好、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。然而，不含金屬的碳基電催化劑的本征活性差強(qiáng)人意，尤其是未改性的碳材料，對ORR底物和中間體的吸附和活化呈惰性，阻礙了無金屬電催化劑作為鋅-空氣電池負(fù)陰極材料的發(fā)展。目前，無金屬碳基電催化劑活性的提升有了質(zhì)的飛躍，但其仍難以與過渡金屬碳基電催化劑相媲美。因此，需要探索更有效和更簡單的策略來增強(qiáng)無金屬碳基電催化劑的性能。
西北工業(yè)大學(xué)黃維院士團(tuán)隊(duì)韓云虎教授課題組在無金屬氧電催化領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，研究團(tuán)隊(duì)通過簡單的物理研磨和熱解的方法制備了Cl摻雜的無金屬多孔電催化劑（mf-pClNC）。該電催化劑在堿性電解質(zhì)中展現(xiàn)出良好的ORR活性（E1/2= 0.91 Vvs.RHE）和高穩(wěn)定性。作者還證明了，ORR活性的提高可能是由于引入的Cl促進(jìn)了sp3雜化碳的增加，而sp3雜化碳和Cl共同改變了作為活性位點(diǎn)的N相鄰C的電子結(jié)構(gòu)，并且NaCl熔鹽蝕刻也為電子/質(zhì)子傳輸提供了豐富的路徑。基于mf-pClNC電催化劑的柔性準(zhǔn)固態(tài)ZAB最高峰值功率密度可達(dá)176.59 mW·cm-2，穩(wěn)定工作可達(dá)70 h。此外，該柔性準(zhǔn)固態(tài)ZABs具有廣泛的工作溫度范圍，可以在-25 °C和60 °C條件下，分別可工作50 h和14 h。該研究為合理設(shè)計(jì)和合成用于可持續(xù)清潔能源設(shè)備所需的低成本、大規(guī)模生產(chǎn)的無金屬碳基電催化劑開辟了可能性。研究成果以“Engineering Electronic Structure of Nitrogen-Carbon Sites bysp3-Hybridized Carbon and Incorporating Chlorine to Boost Oxygen Reduction Activity”為題發(fā)表在化學(xué)領(lǐng)域國際頂級期刊Angew. Chem. Int. Ed.上，西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院黃維院士和韓云虎教授為本文的共同通訊作者。在讀碩士研究生馮雪婷、博士研究生陳冠震為該論文的共同第一作者。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)，陜西省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目以及寧波市自然科學(xué)基金的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202316314
（文字：馮雪婷 審核：王學(xué)文）
