基于目前国家颁布的“双碳战略”方针，面对化石燃料的不可再生性质及其排放所带来的环境污染问题，进一步研究和开发绿色环保的能源转换器件具有重要意义。燃料电池和金属空气电池因具高功率密度、高能量转换效率和清洁的产物而备受关注。然而，阴极氧还原反应（ORR）的动力学缓慢等问题制约了这些器件的实际应用。尽管铂（Pt）基催化剂具有高效的ORR催化活性，但其稀缺性和稳定性等问题限制了其大规模应用。另一方面，过渡金属-氮-碳（M‒N‒C）纳米材料已被证明是贵金属催化剂的有效替代品。在这种情况下，合理设计高性价比、高活性和高稳定性的M‒N‒C基ORR催化剂具有重要意义。

近日，温州大学化学与材料工程学院钱金杰课题组通过逐步合成策略，对Co-MOF的内部Co金属位点配位环境调控，成功实现了客体尿素分子（urea）的配位掺杂（Co-MOF-Urea）。随后，我们将其热解碳化，再经酸刻蚀处理，最终获得了一种将Co纳米颗粒（Co NPs）嵌入在Co‒N₄原子分散（Co SAs）的石墨“纳米口袋”氧还原催化剂（Co_NPs-SAs/NC, Figure 1）。基于该特殊的构效关系，所制备的氧还原催化剂不仅能充分发挥Co纳米颗粒与Co单原子之间的协同催化作用，而且表现出优异的催化活性和稳定性。同时，在实际的二次柔性锌空电池中，该催化剂展现出了卓越的电池性能。本研究为合理设计和制备基于MOF衍生的碳纳米材料电催化剂提供有效的新思路。

性能测试：

我们将CoSAs-NPs/NC催化剂作为空气阴极，分别装配在一次锌空电池和二次柔性锌空电池上，测试其在实际应用中的电池性能。相较于商业Pt/C，这种催化剂组装的电池表现出更大的开路电压、峰值功率密度和超高的比容量（819.1 mA h g⁻¹），并在实际的二次柔性电池中展现出优异的充放电稳定性（Figure 2）。

本论文以“Encaging Co nanoparticle in atomic Co‒N₄-dispersed graphite nanopocket evokes high oxygen reduction activity for flexible Zn-air battery”为题发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上。温州大学为第一通讯单位，化材学院钱金杰副教授为通讯作者，第一作者为生命与环境科学学院2021级硕士研究生杨远东。该工作受到国家自然科学基金（21601137）、浙江省自然科学基金（LQ16B010003）、温州市基础科学研究项目（H20220001, G20190007）、云南省地方本科高校基础研究联合专项重点项目（202101BA070001-042）等项目资助。

参考文献：

Yuandong Yang^a,#, Yi Xiao^b,#, Linjie Zhang^b,*, Hsiao-Tsu Wang^c, Kuan-Hung Chen^d, Wei-Xuan Lin^d, Na Jin^b, Chen Sun^b, Yu-Cheng Shao^e, Jeng-Lung Chen^e, Jinjie Qian^a,*, and Lili Han^b,*. Encaging Co nanoparticle in atomic Co‒N₄-dispersed graphite nanopocket evokes high oxygen reduction activity for flexible Zn-air battery. Applied Catalysis B: Environment and Energy, 2024, 347, 123792.

DOI: 10.1016/j.apcatb.2024.123792

论文链接: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.123792