多孔Co–N掺杂碳催化剂的合成作为耐久型锌–空气电池阴极

为什么更好的电池很重要

从电动汽车到家庭备用电源，我们对可充电电池的依赖日益增加。锌–空气电池尤其具有吸引力，因为它们使用便宜的材料、能量密度高且相对安全。但一个关键瓶颈在于它们如何高效“呼吸”：空气中的氧在电池的空气电极上必须顺利反应，而现有的促进该反应的催化剂要么价格昂贵，要么衰减太快。本研究探讨了一种由钴、氮和碳构成、经过精心设计的多孔结构的新型耐久催化剂，旨在使锌–空气电池更持久、更实用。

电池内部的氧气“呼吸”

在锌–空气电池中，金属锌与空气中的氧反应以产生电能。难点在于氧还原反应——氧分子被转化为电池可利用的带电粒子。这一步通常依赖像铂这样的贵金属来催化，但这些材料既昂贵又会劣化。作者关注一种更廉价的替代品：以碳为基体并掺杂钴和氮的材料。加入的这些原子在碳表面形成高活性位点，使氧更容易发生反应，可能在成本远低于铂的情况下实现相似的催化性能。

构建微小的多孔球体

研究人员将他们的催化剂设计为充满不同尺度孔隙的微米空心球。为构建这些结构，他们使用二氧化硅（SiO₂）颗粒作为可去除的模板。他们将钴盐、葡萄糖（一种简单糖）、含氮化合物和二氧化硅在水中混合并在密闭高温容器中处理。该过程促使含钴和含氮的碳壳在二氧化硅球体周围形成。经过高温热处理并用碱性溶液洗去二氧化硅后，剩下的是坚固的、掺杂了钴和氮且布满孔隙的碳微球。通过调节钴盐用量和热处理温度，他们制备出若干具有不同孔结构和粒径的催化剂版本。

为什么孔隙结构很重要

这些孔隙的排列方式被证明是关键。小孔提供了很大的比表面积和大量氧反应的活性位点。中孔有助于氧气和液态电解质到达这些位点，而大孔则像微型储槽，可以容纳反应物并保持通道畅通。详细的成像和表面测量显示，标记为Co-900-100的一种催化剂尤其同时包含了小孔、中孔和大孔，且嵌入在坚固的碳壳中。另一个版本Co-900-50具有更高的比表面积但大孔较少。两种材料在实验室的氧还原性能测试中均表现良好，但在完整锌–空气电池中的表现存在重要差异。

将新材料投入测试

当装配到工作状态的锌–空气电池中时，两个催化剂都能在较宽电流范围内实现稳定放电，这意味着它们能够稳定供电。使用Co-900-100的电池提供了更高的峰值功率密度，并表现出特别出色的长期稳定性。在连续放电100小时期间，其电压甚至略有上升而非衰减。在快速充放电循环的300次测试中，该电池的放电电压保持在约1.24伏，几乎没有损失。相比之下，使用Co-900-50的电池性能则逐渐下降。循环后显微镜观察揭示了原因：Co-900-50的表面被大量氧化锌覆盖，这是一种堵塞活性位点并增加电阻的副产物。Co-900-100的更大孔隙和更开放的框架抵抗了这种堆积，即使在长期使用后也能保留更多可用的催化表面。

这对未来能源意味着什么

对非专业读者而言，最主要的信息是：催化剂的内部结构——孔隙数量、孔径及其连通性——可能与其成分一样重要。通过将钴和氮掺杂的碳精心塑造成强韧的多尺度多孔球体，作者创造了一种有助于锌–空气电池高效运行并在长时间内保持稳定的阴极材料。尽管这些催化剂在所有指标上尚未全面超越最顶级的实验室原型，但它们的耐久性和相对简单的制备路线使其成为实用、低成本金属–空气电池的有希望候选，有望在未来为车辆、电子设备和备用系统提供更清洁、更可靠的能源。

引用: Niu, F., Liu, JA., Zhao, LT. et al. Synthesis of the porous Co–N-doped carbon catalysts as a durable cathode for zinc–air battery. Sci Rep 16, 11426 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40942-4

关键词: 锌–空气电池, 氧还原催化剂, 多孔碳, 钴–氮掺杂, 能量存储