近日，秦皇岛分校资源与材料学院伊廷锋教授团队在可充电锌—空气电池氧电催化剂领域取得重要进展，研究成果Self-assembled 3D N/P/S-tridoped carbon nanoflower with highly branched carbon nanotubes as efficient bifunctional oxygen electrocatalyst towards high-performance rechargeable Zn-air batteries（自组装的具有高度支化的碳纳米管的三维氮/磷/硫—三掺杂碳纳米花作为有效双功能氧电催化剂应用于高性能可充电锌—空气电池）发表于材料领域国际顶级刊物Advanced Functional Materials。秦皇岛分校材料科学与工程专业博士研究生常慧为本文的第一作者，伊廷锋教授和四川大学张千玉副教授为论文通讯作者。东北大学为第一完成单位。
可充电锌—空气电池(ZAB)具有理论能量密度高、成本低、资源丰富和环境友好等优点，是一种有发展前景的新型电动汽车储能装置。空气电极是决定电池性能的关键因素，而空气电极上缓慢的氧还原(ORR)和氧析出反应(OER)是导致电池性能降低的关键因素。ZABs的商业化在很大程度上受限于传统催化剂的高成本，例如用于ORR的Pt基催化剂和用于OER的RuO₂/IrO₂催化剂。因此，开发成本低、活性高、稳定性好的非贵金属氧电催化剂已成为一种趋势。其中，三维结构可以降低催化剂内部气体与电解质之间的扩散阻力，扩大活性位点与反应物之间的接触，从而更大程度地发挥催化剂的性能。
金属有机框架(MOFs)是一种优良的前驱体，这是因为MOFs不仅与有机配体桥接的金属节点复合，提供催化所需的过渡金属、碳和杂原子，而且具有可控的周期性。MOF衍生的碳基催化剂因其优异的导电性和丰富的活性位点而广泛应用于催化反应。通过控制MOF的形貌和结构来提高样品的电催化活性是最常用的方法之一。通过自组装形成三维结构可以有效地抑制传统纳米片反应过程中的自聚集，确保活性位点的有效暴露。然而，三维MOF自组装结构的合成需要特定的有机溶剂(如DMF、甲醇)，这严重增加了MOF的合成成本。因此，通过合适的自组装方法将MOF材料转化为三维多孔材料，促进电子的快速转移具有重要意义。此外，催化剂的组成是一个关键的标准。杂原子(N/P/S/B)掺杂策略和金属活性位点协同效应促进了ORR和OER过程。杂原子的电负性和原子尺寸的差异可以诱导氮掺杂碳材料产生更高的自旋密度和电子离域，从而增强ORR/OER活性。

Co/SP-NC催化剂的设计及结构模型
基于此，该研究团队制备了具有高度支化碳纳米管的三维氮/磷/硫-三掺杂纳米花双功能催化剂(Co/SP-NC)，其主要是以硫酸铵为表面活性剂，以次磷酸钠为还原剂。硫酸铵驱动二维Zn/Co-ZIF自组装为三维纳米花同时提供活性S原子。此外，次亚磷酸钠诱导三维Zn/Co-ZIF纳米花表面形成高支化的碳纳米管。此外，第一性原理计算证实了氮、磷、硫的引入可以有效激活水和氧分子，同时形成大量的缺陷位点并改变Co物种周围的配位环境，大大增加了活性中心的数量。与此同时，结果表明，适当的P掺杂不仅可以提高基底的电子导电性，也有助于提高OER/ORR过程中的电荷转移。所制备的Co/SP-NC电催化剂具有良好的双功能活性，半波电位为0.8603 V，10 mA cm^-2下的过电位为343 mV。由Co/SP-NC组装的锌空气电池具有超高的功率密度(187mw cm^?2)和良好的循环性能(超过280 h)。这项工作为制备三维自组装的纳米花提供了一种可控的方法尤其适用于可充电锌-空气电池。