南京工业大学朱云峰教授/杨建教授最新CEJ:双相Co/CoFe纳米颗粒锚定于N, F共掺杂中空碳微胶囊作为高效稳定的ORR/OER双功能电催化剂

碳载非贵金属催化剂（NPMCs）是贵金属催化剂（PMCs）在氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）中的有前景的替代品。然而，碳基NPMCs的双功能活性和稳定性仍有待进一步提高。在此，我们采用硬模板策略，开发出锚定在N、F共掺杂中空碳微胶囊（Co/CoFe@NFHCMC）上的新型双相Co/CoFe纳米颗粒。该催化剂表现出优异的 ORR/OER 双功能活性（ΔE = 0.678 V）和稳定性（ΔE1/2 = 6 mV），性能优于 Pt/C+RuO2（ΔE = 0.695 V；ΔE1/2 = 21 mV）。原位拉曼光谱和理论计算确定了 ORR/OER 活性位点，并揭示了Fe介导的Co电子调制，该调制优化了电催化过程中的氧中间体吸附。此外，HCMC结构为催化剂提供了固有的电化学稳定性。值得注意的是，采用Co/CoFe@NFHCMC的可充电水系锌空气电池实现了163.1 mW/cm2的最大功率密度，并在5 mA/cm2下稳定运行超过320小时。此外，采用该催化剂的准固态锌空气电池展现出825.2 mAh/gZn的高比放电容量，以及40 mW/cm2的峰值功率密度。本研究为开发高活性、稳定且经济高效的纳米多孔碳材料（NPMCs）提供了一种新策略。

近日，来自南京工业大学的朱云峰教授与杨建教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Dual-phase Co/CoFe nanoparticles anchored on N, F co-doped hollow carbon microcapsules as efficient bifunctional catalysts for aqueous/quasi-solid-state Zn-air batteries ”的研究文章。该文章介绍了一种N, F共掺杂的中空碳微胶囊载体的制备策略，极大提升了ORR/OER双功能催化剂在电化学过程中的稳定性。此外，Co和CoFe双相纳米颗粒的协同作用，降低了ORR和OER反应路径中的Gibbs能垒，显著提升了电催化剂的双功能活性，实现水系/准固态锌空气电池的性能提升。

本文构建了N、F共掺杂中空碳微胶囊（NFHCMC），实现了结构与电子性质的协同优化。中空结构提供了高比表面积与限域效应，显著提升了活性位点的暴露与反应物可及性，同时增强结构稳定性。其中，N和F异质杂原子掺杂通过电子结构调控、活性位点生成与稳定性增强三重效应，优化氧中间体吸附行为，从材料本征层面提升催化性能。本质上揭示了：“中空结构+异质原子掺杂”协同提升催化活性的机制基础。

本研究构建了Co/CoFe双相纳米颗粒体系，实现不同反应路径的功能分工：Co纳米颗粒主导OER过程，CoFe合金主导ORR过程。双相体系通过界面耦合产生协同效应，显著降低ORR/OER电位差，体现了典型的“双活性位点机制”，实现反应路径解耦与性能最大化。在机理研究部分揭示了多金属双相结构在双功能催化中的分工与协同本质。

本研究通过原位Raman+理论计算，系统解析催化机理：Fe的引入诱导电荷重分布，增强Co位点电子富集；d带中心的上移，优化了*O2、*OH等中间体吸附强度。同时，明确了关键反应路径：在ORR中，CoFe中的Co位点为活性中心，*OH脱附为控速步骤；在OER中，金属Co转化为CoOOH作为真实相。从微观层面建立了“电子结构调控→中间体吸附→催化性能”之间的因果关系。

针对当前非贵金属催化剂在双功能活性与稳定性上的不足，本研究提供了这种“中空结构+异质原子掺杂+双相金属协同”的通用设计框架。其中，电催化剂在水系与准固态锌空气中均表现出优异性能，并具备良好稳定性与适用性，对未来可穿戴能源器件与多类型金属空气电池体系具有重要应用潜力，提供了一种具有可扩展性与通用性的催化材料设计范式。

Dual-phase Co/CoFe nanoparticles anchored on N, F co-doped hollow carbon microcapsules as efficient bifunctional catalysts for aqueous/quasi-solid-state Zn-air batteries

朱云峰教授简介：南京工业大学材料科学与工程学院教授、博导。江苏省“六大人才高峰”高层次人才、江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人。主要从事氢能源材料、储氢材料及电池材料相关基础理论和应用开发研究。主持承担和参与承担了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、国家科技部863项目、教育部留学回国基金、江苏省教育厅和科技厅等国家及部省级科研项目以及国际合作项目20余项。在Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials等学术期刊上发表SCI论文240余篇，SCI引用7000余次，h因子50。获授权国家发明专利10余项。获中国材料研究学会科学技术奖一等奖1项。

杨建教授简介：南京工业大学材料科学与工程学院教授、博导。江苏高校“青蓝工程”中青年学术带头人。中国硅酸盐学会特种陶瓷分会理事，江苏省硅酸盐学会理事、特种陶瓷专业委员会副主任委员，江苏省复合材料学会陶瓷基复合材料专业委员会委员。长期从事结构-功能一体化材料的应用基础研究。承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、863、前沿技术、江苏省自然科学基金等国家和部省级科研项目以及企业委托科研项目20余项。在PNAS, Advanced Science, Advanced Functional Materials, ACS Nano等权威杂志上发表200余篇学术论文(SCI收录130余篇)，7篇入选ESI高被引论文。获授权国家发明专利28项。获省部级科学技术三等奖1项，制定国家标准1项。