南京工业大学朱云峰教授/杨建教授最新ACB:非贵金属催化剂新突破!仿生三相界面助力超长寿命锌空气电池

随着“双碳”目标推进，高能量密度、低成本、安全环保的新型储能技术受到广泛关注。可充电锌空气电池（Rechargeable Zn-Air Batteries, RZABs）因其理论能量密度高（≈1086 Wh kg⁻¹）、成本低、安全性好，被认为是下一代储能体系的重要候选。然而，其空气电极中的氧还原反应（ORR）与氧析出反应（OER）动力学缓慢，严重限制了电池的功率密度和循环寿命。目前商业Pt/C、RuO₂等贵金属催化剂虽然性能优异，但价格昂贵、稳定性有限，难以满足大规模应用需求。因此，开发兼具高活性、高稳定性和低成本的非贵金属双功能催化剂，成为锌空气电池领域的重要研究方向。

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Applied Catalysis B-Environment and Energy上发表题为“Biomimetic hierarchical engineering enables stable triple-phase boundaries for long-life rechargeable Zn-Air batteries”的研究文章。

本文受自然界“花瓣效应”和“毛细作用”启发，构建了一种具有稳定亲/疏水三相界面的仿生分级多孔催化剂 CoFe-MOF@NCNTs。研究团队通过在疏水CoFe-MOF纳米花表面原位生长氮掺杂碳纳米管（NCNTs），实现了：稳定的气-液-固三相界面、优异的氧气/电解液协同传输、金属纳米颗粒限域稳定以及ORR/OER双功能性能同步提升。最终，该催化剂在锌空气电池和铝空气电池中均表现出优异性能，性能优于商业 Pt/C + RuO2 催化体系。

本文利用CoFe-MOF纳米花的疏水特性以及NCNT网络的亲水特性，成功构建了稳定的亲/疏水协同界面。这种结构能够加速O2传输、优化OH-扩散、提升气液固三相反应效率，并缓解传统催化层“淹没”问题。从界面工程角度，为空气电极设计提供了新思路

研究发现，NCNTs引入了丰富的吡啶氮与碳缺陷，显著增强表面-OH吸附，改善界面润湿性，优化氧中间体吸附能，最终实现优异双功能催化性能（∆E = 0.639 V），优于商业 Pt/C + RuO2 催化剂。

原位生长的碳纳米管将CoFe纳米颗粒有效包覆与限域，抑制金属团聚，缓解Ostwald熟化，降低碳腐蚀导致的活性位点脱落，因此催化剂表现出超高耐久性。在5000次ORR循环后，半波电位仅衰减2mV，且保证锌空气电池稳定循环超过1320小时。

基于CoFe-MOF@NCNTs组装的可充电锌-空气电池获得194.5 mW/cm2的峰值功率密度、796.5 mAh/g的高放电比容量以及1320小时的长循环稳定性；在柔性空气电池中，多角度弯折后，电压几乎没有衰减，并且可稳定的驱动LED与手机。同样，在铝-空气电池中CoFe-MOF@NCNTs空气阴极催化剂显示出优异的放电性能，突出该催化剂体系在多种金属-空气电池中的通用潜力。

Biomimetic hierarchical engineering enables stable triple-phase boundaries for long-life rechargeable 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。