我院乔锦丽教授课题组在《eScience》 发表最新研究成果

 近日，我院乔锦丽教授课题组在锌-空气燃料电池领域取得新进展。相关成果以“Photo-electroactive p-n heterojunction catalyst with dual Co sites for high-performance light-enhanced zinc–air batteries”为题发表在eScience期刊（影响因子：36.6）

 具有高电催化活性和优异耐久性的含碳纳米纤维（CNFs）/碳氮化物（CNs）的Co-Nx-C框架结构是可充电锌空气电池（RZABs）的关键材料。然而，现有的Co-Nx-C框架结构在合成过程中会发生严重的团聚现象，且活性位点可及性及机械强度有限。基于此，我院乔锦丽教授团队通过“电纺丝+煅烧+球磨”协同策略，成功制备了具有II型p-n异质结（g-C₃N₄-Co@CNT/Co-N₄/C@CNF）的光增强双功能催化剂 （图1）。该复合材料将石墨碳氮化物（g-C₃N₄）纳米片与钴的双活性位点（纳米颗粒和Co-N₄单原子）锚定在高导电碳纳米纤维上。

图1. (a) g-C₃N₄-Co@CNT/Co-N₄/C@CNF的制备示意图；(b) 扫描电子显微镜（SEM）图像； (c) 透射电子显微镜（TEM）图像；(d, e) 高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像；(f) 选区电子衍射（SAED）图案；(g) C、N、O、Co元素映射；以及 (h) HAADF-STEM图像。

 构建的p-n异质结增强了载流子分离，而分级结构支持双Co活性位点。这有效建立了双相增强系统，协同优化了结构耐久性和催化功能。优化后的g-C₃N₄-Co@CNT/Co-N₄/C@CNF展现出卓越的双功能性能，其中氧还原反应（ORR）的半波电位（E_1/2）为0.93 V，氧气进化反应（OER）的过电位（E_j:10）为1.614 V。密度泛函理论（DFT）计算表明，g-C₃N₄通过调节Co位点的局部电子结构，优化了氧中间体（O*-OH*）的吸附能。当作为 RZAB 系统中的阴极使用时，光增强型液态 RZAB 实现超 1100 小时的卓越循环寿命，提供高达310 mW cm⁻²的峰值功率密度。同时，光增强柔性RZABs展现出优异的宽角度范围的可折叠性（0°–180°–0°）和96 mW cm^–2的功率密度。本研究提出了一种多功能合成平台，用于设计下一代光增强电催化剂，推动RZAB性能的边界。

图2. (a) 循环伏安曲线；(b) 线性扫描伏安曲线；(c)塔菲尔图；(d) 不同样品在0.80 V和0.85 V时的对应E_1/2和J_k值； (e) 线性扫描伏安曲线；(f) 塔菲尔图；(g) ORR-OER极化曲线；(h) g-C₃N₄-Co@CNT/Co-N₄/C@CNF与先前报道的双功能催化剂的E（E_{j = 10}-E_1/2）比较。

图3. (a) 紫外-可见光谱；(b) Tauc图；(c) g-C₃N₄和Co@CNT/Co-N₄/C@CNF的Mott-Schottky图，以及(d) g-C₃N₄-Co@CNT/Co-N₄/C@CNF的Mott-Schottky图； (e) g-C₃N₄-Co@CNT/Co-N₄/C@CNF的能带结构及工作机制；(f) 氧还原反应/氧析出反应的光电子耦合机制示意图。

图4. (a) 差分电荷 (b) 密度泛函密度（PDOS）图及d带中心；(c) 吉布斯自由能变化图。

图5. (a)光增强型液体ZABs示意图；(b) 开路电压曲线；(c) 极化曲线及对应的功率密度； (d) ASR曲线；(e) 放电-充电循环曲线插图：电压效率）；(f) 放电比容量；(g) 与近期报道的光增强型液体ZABs中催化剂的稳定性和比容量比较。

图6. (a) 光增强型柔性ZABs示意图；(b) 开路电压（OCV）曲线；(c) 放电极化曲线及对应的功率密度；(d) 放电比容量曲线； (e) ASR曲线；(f) 长期放电/充电循环性能；(g) 不同弯曲状态下的循环稳定性。

本工作得到了科技部“政府间国际科技创新合作”重点专项（2022YFE0138900）、国家自然科学基金面上项目（21972017）, 中央高校基本科研业务费专项资金（2232022D-18、CUSF-DH-T-2023061）、上海扬帆计划（22YF1400700）、上海市教育发展基金会和上海市教委晨光项目（22CGA37）等的支持。

论文第一作者为博士生芦拓，徐能能副教授和乔锦丽教授为共同通讯人。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.esci.2025.100450