锌空气电池空气阴极侧的动态缓慢以及高过电位严重阻碍了其商业开发。这迫切需要对阴极氧还原反应（ORR）动力学进行显著改进，并提升催化剂的ORR/OER催化性能。本研究指出，一种新型ORR/OER双功能催化剂CoCu-NC，具有优异的疏水性，能够解决这些问题。Cu修饰的Co纳米颗粒（Co/Cu）被封装在叶状多孔氮掺杂碳材料中。Co/Cu杂相调制CoCu-NC催化剂的电子态，从而优化其ORR/OER性能。另一方面，具有丰富空隙和疏水微观结构的CoCu-NC催化剂在莲叶状表面上，增强了电催化反应的动力学过程。因此，CoCu-NC催化剂表现出优异的电催化活性，ORR半波电位为0.89 V，氧气释放过势为180 mV，势隙ΔE为0.52 V。相应的液态ZAB峰值功率密度高达198毫瓦厘米^-2而准固态ZAB还展示了高达513毫瓦的峰值功率密度^-2.CoCu-NC催化剂在ZAB领域展现出巨大潜力，为高功率密度锌空气电池的开发提供了新的材料设计理念。
全球对能源的需求持续增长，迫切需要开发和利用新的可持续能源[[1]，[2]，[3]，[4]，[5]]。锌空气电池（ZAB）具备高能量密度、良好安全性、低成本和环保特性，有望成为新能源领域卓越的能量转换和储存设备[[6]， [7]， [8]， [9]， [10]。然而，锌空气电池的空气阴极采用气-固-液三相系统，其反应涉及多电子转移、中间产物运输以及氧气脱附和吸附过程，导致反应动力学缓慢，导致锌空气电池功率密度低且耐受性差，严重阻碍其商业化过程 [[11]， [12]， [13]， [14]， [15]， [16], [17]].尽管贵金属催化剂如Pt/C，RuO₂，以及 IrO₂表现出优异的催化活性，储量有限、成本高且稳定性差，限制了其广泛的商业应用 [[18]， [19]， [20]， [21]]。因此，开发具有高电催化活性、长寿命且能增强锌空气电池功率的非贵金属电催化剂至关重要。
在过去十五年里，碳基体中由氮配位的过渡金属物种（TM-Nx）已成为一类有效的氧电催化剂[[22]、[23]、[24]]。其中，纳米级和原子分散的钴催化剂因其丰富的价态、优异的电化学稳定性和丰富的资源而受到广泛研究[[25]， [26]， [27]]。然而，单一钴-氮-碳（Co-Nx）电催化剂在氧还原反应（ORR）/氧演化反应（OER）中的催化活性仍需进一步提升[[28]， [29]， [30]]。非均相复合材料是提升电催化活性的有效方法 [[31]， [32]， [33]]。研究表明，位于火山图中靠近铂金的铜在非贵金属中表现出显著的ORR活性[34]。金属铜不会与钴形成固溶化合物。换句话说，金属铄和金属铜在广泛的温度和组成范围内以双相共存状态存在[35]。钴和铜的电子结构不同，形成双相接触的钴/铜金属颗粒可以调整彼此间的电荷分布态，预计将显著提升嵌入碳基体中的钴催化剂的电催化性能。然而，锌空气电池的充放电效率及放电功率密度不仅与电催化剂的催化活性相关，还强烈依赖于催化电极中氧中间体的氧浓度和质量传递效率[36,37]。在固气三相系统中，如果催化剂电极表面具有适当的疏水性，将产生丰富的三相活性界面，暴露更多催化活性位点，加速反应中间体的传递，从而改善反应动力学过程和器件的峰值功率密度[38,39]。显然，通过元件设计提升ORR/OER电催化活性，如果电极结构也能优化以实现优异的疏水性能，将显著提升锌空气电池的性能。
基于上述考虑，本研究通过热解钴-铜共掺杂ZIF，获得了一种双峰金属颗粒催化剂CoCu-NC，其表面富含铜改性钴嵌入碳基体中。该催化剂具有丰富的孔隙度和莲叶状表面微观结构，表现出优异的疏水性，并增强了电催化反应动力学。Co/Cu异相调控催化剂电子态使CoCu-NC催化剂在半波势为0.89 V、氧释放超势180 mV和势隙Δ的条件下，实现了优异的ORR/OER双功能电催化活性_E0.52伏。基于CoCu-NC的液态ZAB表现出1.47 V的高开路电压，峰值功率密度高达198 mW cm⁻²，比电容量高达802 mAh g_锌^-1以及在5毫安厘米压力下连续运行1000小时的优异续航能力^-2.其准固态电池峰值功率密度高达513 mW cm。^-2以及50小时的自行车表现。此外，准固态ZAB还能点亮红色LED显示屏并驱动风扇，展现出广泛的应用前景。本文结合催化剂表面微观结构与组成调控，开辟了高功率密度ZAB开发的新途径。