氮、氟、铱三掺碳黑催化剂的高功率密度和超长稳定性，适用于锌空气Fullriver蓄电池和水分应用
2026-08-01 09:47:32 点击：次
本研究通过改良的消燃方法在不同温度下合成氮、氟和硫三掺杂碳黑催化剂（NFS − XC/72）。其中，NFS − 700催化剂在氧还原反应（ORR）、氧演化反应（OER）和氢演化反应（HER）中表现出卓越的多功能电催化活性，同时具有卓越的耐久性。表征技术证实了杂原子掺杂的成功和良好的多孔结构。当作为锌空气电池的阴极应用时，NFS − 700可实现高功率密度201.7毫瓦厘米−2具体容量为804.3mAh g−1，表现优于基准Pt/C + IrO2催化剂。它还展示了超过1340小时的超长期稳定性。在水电解中，催化剂需要1.70伏的电池电压，电压为10毫安厘米−2并且表现出极佳的稳定性。此外，利用密度泛函理论分析研究了OER和HER的反应机制，揭示了氟掺杂在HER过程中起到抑制作用。这项工作为先进能源应用提供了一种有前景、高效且稳定的非贵金属催化剂。
随着全球能源需求的持续增长和环境问题日益严峻，高效且可持续的能源转换和储存技术的发展，如燃料电池、锌空气电池和用于氢气生产的水电解技术，已成为当前学术界和工业界关注的重要话题（Zhu 等，2020;Su 等， 2024年，Han等，2024年）。这些技术被认为是传统化石燃料的极佳替代品。值得注意的是可充电锌空气电池，其理论能量密度高（1086 Wh K）−1），其结构简单、轻便、成本低且环境影响极小，吸引了众多研究者的广泛关注和研究兴趣（Ramakrishnan 等，2020;Li 和 Lu，2017;Ahmed 等，2025）。此外，氢作为高能量密度的绿色燃料，使得水电解制氢成为研究重点（Wu 等，2025）。氧还原反应（ORR）、氧气演化反应（OER）和氢演化反应（HER）是能量转换和储存技术中的关键电化学过程（Rana 等，2024）。然而，这些反应本质上具有缓慢的动力学特性，这对能量装置的性能产生了不利影响（Ramakrishnan 等，2022;Ahmed 等，2025）。因此，开发具有高动力学活性和长期稳定性的催化剂对于提升这些能源装置的效率至关重要。目前，铂（Pt）基和氧化铱/氧化钌（IrO）2/RuO2基于）的催化剂被广泛认为是市场上最常见的两种基准催化剂。然而，其高成本、稀缺性和有限的稳定性阻碍了这些贵金属催化剂在能源器件中的大规模商业应用（Zhang 等，2018;Rajkumar 等，2023）。此外，这些催化剂的活性位点与中间物种之间存在相互作用。因此，每种催化剂仅适用于特定反应，如ORR或OER/HER反应（Wu等，2024;Huang等，2025）。以锌空气电池为例，ORR和OER在其空气阴极同时发生，但基准催化剂无法同时提供所需的电催化活性（Jeong等，2022;Ahmed等，2023）。总之，具备多功能活动的催化剂研发不仅能满足能量转换和储存器件的应用需求，还能降低器件设计和制造的复杂度。
在这些努力中，设计与合成具有高催化性能、长期耐久性和低成本的非金属催化剂成为解决上述挑战的重点。与其他多孔材料相比，碳具有高度多孔的结构，这不仅增强了电导率，还能增强固体密度。掺杂原子如B、N、F、S和P的碳材料表现出显著更高的电催化活性（Quílez-Bermejo等，2020;Paul等，2019;Li等，2021）。杂原子和碳在尺寸和电负度上的显著差异使这些掺杂剂能够促进电子调制和电荷重新分布，有效调节碳晶格的催化活性（Hu和Dai，2019）。在所有杂原子中，氟表现出最高的电负性。由于碳和氟在电负性上的显著差异，掺氟碳材料可以在碳晶格上实现高正电荷，从而实现出色的OER性能（Zhao等，2015）。然而，迄今为止尚无氟掺杂碳催化剂具有多功能电催化活性（ORR/OER/HER）的报告。此外，与单杂原子掺杂碳相比，多杂原子掺杂碳能展现出更优越的ORR/OER/HER性能。氮具有五个价电子，尺寸与碳相当，可以形成具有高电荷分布、表面积和电荷调制能力的碳材料（Liu 和 Dai，2016;Wang 等，2025）。而硫则拥有六个价电子，可以通过引入电子接受或电子供与态来改变材料的电子分布，从而调节其导电性。此外，硫掺杂还能改变碳材料的能带结构，从而减少其能隙（Li 等，2021）。这导致电化学反应中的导电性和催化活性增强。本研究采用了改进的低燃方法制备氮、氟和铋共掺杂碳基催化剂。系统性地研究了温度对催化剂结构和性能的影响（如支持信息的方案S1所示）。这项工作为进一步推动高性能碳基催化剂的发展提供了新颖思路，并为绿色化学和可再生能源做出贡献。
图形摘要
在这些努力中，设计与合成具有高催化性能、长期耐久性和低成本的非金属催化剂成为解决上述挑战的重点。与其他多孔材料相比，碳具有高度多孔的结构，这不仅增强了电导率，还能增强固体密度。掺杂原子如B、N、F、S和P的碳材料表现出显著更高的电催化活性（Quílez-Bermejo等，2020;Paul等，2019;Li等，2021）。杂原子和碳在尺寸和电负度上的显著差异使这些掺杂剂能够促进电子调制和电荷重新分布，有效调节碳晶格的催化活性（Hu和Dai，2019）。在所有杂原子中，氟表现出最高的电负性。由于碳和氟在电负性上的显著差异，掺氟碳材料可以在碳晶格上实现高正电荷，从而实现出色的OER性能（Zhao等，2015）。然而，迄今为止尚无氟掺杂碳催化剂具有多功能电催化活性（ORR/OER/HER）的报告。此外，与单杂原子掺杂碳相比，多杂原子掺杂碳能展现出更优越的ORR/OER/HER性能。氮具有五个价电子，尺寸与碳相当，可以形成具有高电荷分布、表面积和电荷调制能力的碳材料（Liu 和 Dai，2016;Wang 等，2025）。而硫则拥有六个价电子，可以通过引入电子接受或电子供与态来改变材料的电子分布，从而调节其导电性。此外，硫掺杂还能改变碳材料的能带结构，从而减少其能隙（Li 等，2021）。这导致电化学反应中的导电性和催化活性增强。本研究采用了改进的低燃方法制备氮、氟和铋共掺杂碳基催化剂。系统性地研究了温度对催化剂结构和性能的影响（如支持信息的方案S1所示）。这项工作为进一步推动高性能碳基催化剂的发展提供了新颖思路，并为绿色化学和可再生能源做出贡献。