锌空气电池具有能量密度高（1084 W h kg^-1）、成本低、稳定性和安全性高等优点，是一种有巨大应用潜力的新一代储能器件。然而，可充电金属-空气电池的工作涉及两种基本的电化学反应：氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）。这两个半反应涉及多步质子耦合和电子转移过程，由于其电子转移动力学缓慢，导致极高的过电位，严重限制了可充电锌空气电池的能量利用率和往返能量效率。而目前市面上广泛使用的是价格昂贵，储量稀缺的Pt基贵金属催化剂。因此，开发一种低成本、稳定的双功能锌空气电池催化剂具有及其重要的价值。

本研究设计合成一种氮掺杂超薄碳层包覆CoFe合金纳米颗粒催化剂的制备策略。通过在高温退火过程中CoFe LDH与载体之间的双向氧化还原反应，在增加了碳缺陷位点的同时，得到碳层包裹的CoFe纳米合金颗粒。通过控制的CoFe LDH还原过程，实现了CoFe合金纳米颗粒均匀分散在碳基体中。超薄碳层之间的层间间隙和介孔通道为传质建立了有效网络。紧密结合的碳层不仅可以防止合金颗粒的聚集和腐蚀，从而提高活性位点的寿命，还可以通过载体与金属之间的强相互作用增强催化剂的导电性。此外，合金纳米颗粒与碳层之间的显著相互作用使电子结构得到优化，从而提高了Co₃Fe₇@NCNS在氧还原反应和氧析出反应上的本征活性。由Co₃Fe₇@NCNS催化剂制备的锌空电池具有极高的开路电压（1.46 V）和202.8 mW cm^-2的功率密度，并且展现了优异的循环稳定性。

图1 Co₃Fe₇@NCNS的合成示意图。

 图2 Co₃Fe₇@NCNS催化剂的（a）SEM图像，（b）TEM图像，（c）HRTEM图像，（d）SAED图像，（e）HAADF-STEM图像以及相应的元素分布图，（f）Co₃Fe₇@NCNS, Co@NHCS-900 和 Fe₃C@NCNS-900的XRD图谱。

图3 锌空气电池性能测试部分。

刘沛林：本文第一作者，本科毕业于中国石油大学（北京）理学院。目前于中国石油大学（北京）攻读化学工程与技术博士学位，导师为刘坚教授，孙源卿副教授。研究方向主要是金属-碳复合催化剂的制备及其在电催化中的应用。

刘坚（通讯作者）：主要从事工业催化和石油化工的研究工作。主持国家自然科学基金重点及面上项目、科技部重点研发课题等项目20余项；获授权中国发明专利30余项。在AIChE J.和Angew. Chem.等期刊发表SCI论文200余篇，他引10000余次。中国化工学会稀土催化与过程专业委员会副主任，中国能源学会能源与环境催化专业委员会委员等；是教育部学科评估专家、国家重点研发专项会评专家和国家自然科学基金委员会化学科学部会评专家等。曾获中国化工学会基础研究成果一等奖、中国稀土学会科学技术一等奖、北京市自然科学二等奖、中国石油和化学工业联合会青年科技突出贡献奖和技术发明奖、中国产学研合作创新奖、教育部新世纪优秀人才支持计划和全国百篇优秀博士提名论文等。

孙源卿（通讯作者）：副教授，硕士生导师。主要从事金属纳米材料、碳复合材料的构筑调控及在清洁能源领域的应用，主要研究方向为复合纳米材料电催化析氢、氧还原反应、电催化硝酸盐还原合成氨等。发表SCI论文三十余篇，主持并参与多项国家自然科学基金项目、重点项目、重点研发计划等。

李振兴（通讯作者）：教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，中国石油大学（北京）“青年拔尖人才”。担任中国化工学会稀土催化与过程专业委员会委员，中国稀土学会青年工作委员会委员，《中国稀土学报》、 ACS Sustainable Chemistry & Engineering青年编委。

Liu P, Sun Y, Luo J, et al. CoFe alloy embedded in ultra-thin nitrogen-doped carbon nanosheets derived from CoFe LDH as efficient oxygen reduction electrocatalyst for Zn-air batteries. Nano Research, 2025 18(2): 94907139. 

https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907139.