近日，我校环境科学与工程学院乔锦丽教授团队通过静电纺技术在构建高性能可充锌空气电池领域取得重要进展，相关成果以“Dual-Role Zn Engineering Enables Electron Redistribution and Hierarchical Porosity in Co–N4 Carbon Nanofibers for Efficient Zinc–Air Batteries”（《双功能锌工程实现Co-N4碳纳米纤维中的电子重分布与分级多孔结构，用于高效锌空气电池》）为题发表在国际材料领域著名期刊Advanced Functional Materials（《先进功能材料》）上。

开发兼具高本征活性和高效传质性能的双功能氧电催化剂，仍是可充电锌空气电池（ZABs）面临的关键挑战。研究团队提出了一种通过静电纺技术构建双功能锌工程策略，用于同时调控Co-N4配位碳纳米纤维（Zn/Co–N@CNF）中的电子结构并构建分级多孔结构。在静电纺丝-热解过程中，锌作为电子调节剂，可调制邻近Co–N4位点的电子环境，诱导电子重新分布，并使Co的d带中心下移至-3.43 eV，从而优化氧中间体的吸附能。同时，锌的蒸发作用作为动态造孔剂，促进高度分散的钴位点生成，并诱导形成分级孔道结构，有利于物质传输并最大化活性位点的可及性。第一性原理计算表明，Zn–N4/Co–N4位点能够实现对氧中间体吸附的优化，使氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的理论过电位分别低至0.37 V和0.43 V。得益于这种结构与电子效应的协同作用，Zn/Co–N@CNF表现出优异的双功能氧电催化性能，其ΔE仅为755 mV。当用作空气阴极时，所组装的锌空电池在无需额外碳扩散层的情况下，可实现高达303 mW cm⁻2的峰值功率密度，并展现出超过1150小时的卓越循环稳定性。本研究提出了一种兼具电子调控与分级多孔结构的双功能金属工程策略，为构建高性能空气电极、推动下一代锌空气电池的发展提供了新思路。

本研究得到了科技部国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项（2022YFE0138900）、国家自然科学基金（21972017）、中央高校基本科研经费（2232022D-18，CUSF-DH-T-2023061）、上海杨帆计划（22YF1400700）、上海教育发展基金会和上海市教委晨光计划（22CGA37）以及中国国家重大科技专项（2025YFF0516301）的支持。

博士生芦拓为论文第一作者，乔锦丽教授为通讯人，东华大学为第一通讯单位。

 图1. (a) Zn/Co-N@CNF合成的示意图，(b-c) 透射电子显微镜图像，(d,f) 高角度暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，(e) Zn/Co-N@CNF的元素映射图，(g) 金属单原子和孔道形成的机理。

 图2. (a) XRD和拉曼光谱，(b) N2吸附-脱附等温线（插图：孔径分布），(c) 高分辨率N 1s谱，(d, e) Co、Zn K边XANES的归一化谱图，(f, g) 对应的FT-EXAFS谱图，(h, i) Co、Zn K边EXAFS拟合曲线图（插图：Co–N4和Zn–N4模型），(j-k) Zn/Co-N@CNF的WT-EXAFS等高线图。

 图3. (a) 不同催化剂的ORR LSV曲线，(b) 对应的ORR Tafel斜率，(c) 在0.80 V和0.85 V时不同催化剂的E1/2值及Jk，(d) 5000次循环前后的ORR LSV曲线，(e) OER LSV曲线，(f) 对应的OER Tafel斜率，(g) i-t前后OER LSV曲线，(h) Zn/Co-N@CNF的ORR/OER活性与近期报道催化剂的比较图。

 图4. DFT 分析：(a) 反应机理路径（顺时针方向：ORR过程；逆时针方向：OER过程），(b) Zn–N4/Co–N4-1 结构的顶视图/侧视图及电荷密度差，(c) Co–N 键的晶体轨道哈密顿态密度（COHP），(d) 不同金属d轨道的投影态密度（PDOS），(e-f) 在施加电压 U = 0 和 1.23 V 下的 ORR/OER 自由能图，(g) 在 300 K 下进行 1000 步的 AIMD 模拟。

 图5. (a) ZABs的示意图，(b) 开路电压（OCV）曲线图，(c) 10 mA cm⁻2时的比容量，(d) 放电极化与功率密度曲线，(e) Zn/Co-N@CNF和Pt/C-Ir/C在有碳和无碳条件下的峰值功率密度差异，(f) 对应的ASR曲线图，(g) 在10 mA cm⁻2下放电-充电循环曲线（插图：两个ZAB点亮指示灯），(h) ZABs循环寿命、峰值功率密度和比容量与最近报道的文献比较图。

（论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.77161）