目前，大部分的電動車都由鋰離子電池驅動，但其安全問題和高昂的成本一直備受詬病。幸運的是，鋅-空電池具有幾乎與鋰離子電池相同的能量密度，且安全性更高，是未來汽車業電氣化的理想候選電池。然而，在鋅-空電池中，催化劑的長期穩定性和氧還原反應（ORR）/析氧反應（OER）活性是制約其可逆持久運行的關鍵因素。Pt和Ir基化合物分別是ORR和OER反應的高效催化劑，但其貴金屬特性限制了其大規模應用。因此，發展地殼儲量豐富、穩定且高效的ORR/OER電催化劑就成為了當務之急。

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尖晶石相Co₃O₄因為具有獨特的電子結構在氧電極研究領域吸引了極大的關注。但是，Co₃O₄中低自旋Co³⁺_Oct與氧中間體過強的相互作用導致其具有較為遲緩的ORR/OER動力學反應過程。因此，研究基于CoO₆結構的催化劑表面信息對于設計高活性和穩定性好的鈷基催化劑就顯得十分重要了。

成果簡介

研究亮點

1. 在N摻雜碳納米管（NCNTs）上生長Co-Fe雙功能尖晶石型電催化劑，其性能超越了目前的貴金屬催化劑。

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2. 利用理論計算和磁學手段揭示了引入Fe離子后，Co₃O₄中Co 3d的電子離域和自旋態轉變，并指出Fe³⁺在自旋和電荷效應的作用下，激活了Co³⁺，從而增強了其催化性能。

圖文解析

本文通過一步水熱法制備了Co₂FeO₄/NCNTs復合物，其中，通過Fe替換Co，導致Co-Fe尖晶石氧化物中電荷交換的弱化，極大地影響了其催化性能（圖1a）。

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?圖1 （a）Co₂FeO₄/NCNTs的示意圖和金屬離子的電荷交換，（b）Co₂FeO₄/NCNTs的XRD圖，（c）Co₂FeO₄/NCNTs的室溫穆斯堡爾譜，?Co₂FeO₄/NCNTs的（d）SEM和（e，f）TEM圖，Co₂FeO₄/NCNTs的（g）SAED和（h）元素分布圖

圖2中的ORR和OER測試結果表明，Co₂FeO₄/NCNTs無論是在OER還是ORR中都有優異的效率和反應動力學，并有極其出色的穩定性，甚至超越了Pt基和Ir基催化劑。而電化學活性表面積（ECSA）也說明Fe離子不會大幅改變催化劑的表面積，因此催化性能的差異僅僅源于催化劑本征活性的改變，Co在催化過程中扮演著重要的角色。

?圖2 （a）ORR反應中的LSV圖，（b）ORR產物中過氧化物的比例和對應的電子轉移數，（c）ORR工作電位下的計時曲線和對應的電流密度，（d）OER反應中的LSV圖，（e）ORR和OER反應的總極化電勢，（f）產物在OER工作電流時的計時曲線。

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?圖3 （a）鋅-空電池結構及光學照片，（b）鋅-空電池的充放電極化曲線，（c）功率密度隨電流密度的變化趨勢，（d）循環性能曲線，（e）長期循環曲線

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?圖4 ORR反應中（a）Co₃O₄和（b）Co₂FeO₄的最優原子結構

總結與展望

本文制備了具有高活性和長期穩定性的混合尖晶石催化劑Co₂FeO₄/NCNTs。

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文獻鏈接

Redox-Inert Fe³⁺?in Octahedral Sites of Co-Fe Spinel Oxides with?Enhanced?Oxygen Catalytic Activity for Rechargeable Zn-Air Batteries（Angew. Chem. Int. Ed.，2019，DOI：10.1002/anie.201907595）