锌-空气（Zn-air）电池具有成本低、安全和无污染等优点，被认为是一种理想的储能技术。当前，贵金属基催化剂（如Pt/C和RuO₂）价格昂贵，而低成本的过渡金属-氮-碳（M-N-C）催化剂目前仍不能满足商业要求。对于可充电锌空气电池而言，迫切需要在空气电极上制备用于氧还原/析氧反应（ORR/OER）的双功能电催化剂。M-N-C材料可以通过热解金属有机框架材料（Metal-Organic Framework, MOF），特别以沸石咪唑啉酸盐骨架（Zeolitic imidazolate framework, ZIF）前驱体在N₂/Ar中热解来制备的。然而，ZIF前驱体的直接热解制备的M-N-C材料比表面积低且介孔较少，从而导致传质效率较低。最近研究表明，具有拉伸应变效应和局部电场增强作用的高曲率表面材料已被应用于与能量相关的小分子活化反应中。因此，在M-N-C材料中引入高度弯曲的纳米结构是设计更高活性M-N-C电催化剂的一种有效策略，这些结构不仅可以提高传质和传荷性能，并且也会改变电子结构，调节与关键其与反应中间体的相互作用。

近日，陕西师范大学郑浩铨教授（点击查看介绍）、林海平教授（点击查看介绍）和曹睿教授（点击查看介绍）合作，设计制备了一种新型高曲率多层弯曲结构（也称为洋葱碳结构，onion-like carbon, OLC）纳米球包覆Co-N-C（OLC/Co-N-C）材料，如图1所示。具体而言，OLC/Co-N-C是表面活性剂P123（聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯，PEO₂₀-PPO₇₀-PEO₂₀）包覆Co基ZIF-67通过热解制备的。表面活性剂胶束的引入导致OLC/Co-N-C材料在热解过程中形成微/介孔结构。以纯ZIF-67为前驱体，制备了普通Co-N-C作为对照材料。通过结构表征发现，OLC/Co-N-C具有更多的介孔结构、缺陷碳和更好的亲水性。与20%Pt/C+RuO₂复合贵金属催化剂相比，OLC/Co-N-C催化剂表现出更加优异的ORR/OER电催化活性及Zn-air电池性能和循环稳定性。理论计算结果表明弯曲氮掺杂C₆₀比平面石墨烯具有更低的中间体吸附能垒。这项工作为高曲率多层碳纳米结构的制备和应用提供了新的见解，有望将来用于合成更多的复合材料，应用于其他的能量转换技术中，具有重要的理论指导意义和实际应用价值。

图1. OLC/Co-N-C材料与Co-N-C材料的合成示意图及形貌和结构表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是陕西师范大学化学化工学院梁作中。

来源：X-MOL