目前，化石燃料的大量消耗正對全球的能源安全和環境的可持續性發展提出挑戰。人們期望發展有效的能源轉換和儲存技術來解決這些危機。在這方面，可充電鋅空氣電池(ZABs)是最有前景的裝置之一，因為它具有較高的理論能量密度(1086 W h kg ^-1)、環境友好和高安全性。

然而，目前開發的可充電ZABs往往具有低能量密度和功率密度，主要在于難以通過氧還原反應(ORR)和析氧反應(OER)充分實現化學和電的高效轉換。具體來說，陰極的催化反應是一個復雜的過程，各種含氧中間體(即OH^*、O^*和OOH^*)、物質的多重吸附/脫附步驟和復雜的多電子轉移過程共同導致了緩慢的ORR和OER動力學。雖然基于鉑族金屬(PGM)的催化劑(如RuO₂/IrO₂)在ORR和OER中表現良好，但其高昂的成本嚴重限制了其在可充電ZAB中的大規模應用。因此，設計和開發具有雙功能催化活性和高穩定性的非PGM電催化劑勢在必行。

約翰內斯堡大學Ren Jianwei和青島科技大學王榮方(共同通訊)等人通過將Cu/Co雙金屬錨定在氮摻雜多孔碳納米片框架上，制備了一種具有內建電場的莫特-肖特基Cu_NCs-Co_NCs/NPCF催化劑。

在0.1 M KOH電解質中利用三電極裝置來測試Cu_NCs-Co_NCs/NPCF的ORR催化活性，并與NPCF、Cu_NCs/NPCF、Co_NCs/NPCF和商業20% Pt/C催化劑進行ORR性能比較。Cu_NCs-Co_NCs/NPCF的起始電位(E_onset)和半波電位(E_1/2)分別為0.97 V和0.85 V，這優于20% Pt/C(E_onset=0.97 V，E_1/2=0.84 V)，并且具有異質結構的Cu_NCs-Co_NCs/NPCF與單金屬Co_NCs/NPCF催化劑相比同樣表現出更高的起始電位、半波電位和限制電流密度。

隨后，在1 M KOH電解質中測試了NPCF，Cu_NCs/NPCF，Co_NCs/NPCF和Cu_NCs-Co_NCs/NPCF的OER活性，并與RuO₂進行了比較。在電流密度為10 mA cm^-2時，Cu_NCs-Co_NCs/NPCF的過電位僅為303 mV，這優于Cu_NCs/NPCF(426 mV)和Co_NCs/NPCF(344 mV)，并與RuO₂(287 mV)相當。

這表明Cu_NCs-Co_NCs/NPCF催化劑的莫特-肖特基異質結構對提高OER催化性能具有積極作用。利用ORR和OER之間的電位差來評估電催化劑的雙功能催化性能(ΔE=E_{j=10 mA cm-2}-E_1/2)。Cu_NCs-Co_NCs/NPCF的ΔE為0.68 V，這與20% Pt/C+RuO₂的ΔE(0.68 V)相當，并且遠低于Cu_NCs/NPCF(ΔE=0.79 V)和Co_NCs/NPCF(ΔE=0.72 V)。更重要的是，與報道的非PGM電催化劑的ΔE值相比，Cu_NCs-Co_NCs/NPCF表現出優異的雙功能催化活性。

通過紫外光電子能譜(UPS)可以發現，Cu_NCs/NPCF和Co_NCs/NPCF的功函數分別為6.01 eV和6.52 eV。UPS結果表明，Cu_NCs/NPCF和Co_NCs/NPCF的費米能級不同，具有使莫特-肖特基勢壘形成和潛在的電子轉移能力。為了揭示Cu_NCs-Co_NCs/NPCF催化劑中莫特-肖特基勢壘和電子轉移路徑的存在，在Cu相和Co相界面建立了莫特-肖特基結構模型。

Cu相的功函數小于Co相，這滿足了構建肖特基勢壘的要求。當Cu/Co相之間形成莫特-肖特基界面時，在莫特-肖特基效應的驅動下，Co相的導帶和價帶都會向下彎曲。此時電子可以通過異質界面從Cu相自發轉移到Co相，直到兩側費米能級相等，最終建立平衡態。因此，電子會聚集在Co相側，而空穴會聚集在Cu側。

結合所有的分析可以得出結論，Cu_NCs-Co_NCs/NPCF催化劑中莫特-肖特基效應驅動的自發電子轉移加速了ORR/OER過程中的電子轉移，優化了中間氧的吸附和脫附。Cu側更有可能提高對氧分子的吸附，增加活性位點的數量，從而提高氧還原活性。同時，Co側可以進一步提高對氫氧自由基的吸附，從而導致快速的OER動力學，表現出更好的OER活性。這項工作為構建非貴金屬雙功能氧電催化劑提供了新的策略。

Cu-Co Bimetallic Nanocluster Mott–Schottky Interaction Increasing Oxygen Reduction Reaction Activity in Rechargeable Zn-Air Batteries, Journal of Materials Chemistry A, 2023, DOI: 10.1039/d2ta09851b.

https://doi.org/10.1039/D2TA09851B.