可持续能源系统对于人类的未来至关重要，因为它们使我们能够在不损害环境健康的情况下满足不断增长的能源需求。氧还原反应（ORR）是燃料电池和金属-空气电池等多种能量存储和转换技术中的关键反应。然而，Pt 催化剂的高成本和低耐久性限制了它们在ORR催化剂中的广泛应用，特别是对于大规模储能系统。

近日，天津工业大学康卫民教授&邓南平副教授在期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上发表了最新研究成果“铜纳米点嵌入氮氟共掺杂多孔碳纳米纤维作为可充电锌空气电池的高级电催化剂”（Copper nanodot-embedded nitrogen and fluorine co-doped porous carbon nanofibers as advanced electrocatalysts for rechargeable zinc-air batteries）。天津工业大学为第一署名单位，论文第一作者为纺织学院博士生汪港，通讯作者为邓南平副教授、康卫民教授、程博闻教授。研究通过将高导电性的铜纳米点引入碳材料中，同时提高了材料的导电性和ORR电催化活性，为设计高性能锌空电池的空气正极催化剂提供了简单、可靠的新方案。

图1 铜纳米点嵌入氮氟共掺杂多孔碳纳米纤维的制备过程

通过静电溶吹和碳化工艺构建了铜纳米点嵌入氮氟共掺杂多孔碳纳米纤维。铜纳米点（CuNDs）被巧妙地掺杂到具有蜂窝状结构的N，F共掺杂多孔碳纳米纤维（CuNDs@NFPCNFs）中，以增强N，F共掺杂碳纳米纤维的导电性和电催化活性，增强了锌空电池的功率密度和充放电循环稳定性。该应用方法不仅结合了多孔碳纳米纤维的高比表面积、三维互连导电通路和强溶质扩散能力，还增强了它们的电子导电性，从而提高了ORR催化活性。

图 2 铜纳米点嵌入氮氟共掺杂多孔碳纳米纤维的HRTEM图像

CuNDs@NFPCNFs具有开放的多孔骨架和连续的纤维形态。连续的纤维交织成松散的三维互连结构，这可以提供足够的电子传输通道和足够的活性位点，还可以增强反应物在液体电解质中的扩散。大量尺寸小于 5 nm 的 CuNDs也显着增加了活性位点的暴露的可能性，从而有助于材料的催化性能提升。

图3 ORR催化性能

制备的CuNDs@NFPCNFs用作ORR催化剂时，表现出0.865 V的半波电位，塔菲尔斜率约为40 mV dec-1。其电子转移数可达3.94，具有很高的四电子途径选择性。经过20000 s的长期ORR测试，CuNDs@NFPCNFs仍保持92.5%的催化活性。

图4稳定性及锌空电池性能

CuNDs@NFPCNFs用作锌空电池的空气正极时，放电过程表现出1.425V的开路电压与771.3 mAh g−1的高特性容量。其功率密度可以高达204.9 mW cm-2，充放电循环可以稳定运行超过400小时。

图5优化前结构，优化后结构和对应的活性火山图

分析结果，对CuNDs@NFPCNFs中的活性位点进行了合理假设，构建了铜金属颗粒包覆碳材料模型。计算结果表明，电荷调节过程优化了表面 N、F 共掺杂碳原子衍生中间体的过渡态能量，导致 *OH 吸附能量转移到活火山的高位。这表明铜纳米点的嵌入可以有效的提升碳材料的ORR电催化活性。

作者制备了铜纳米点修饰的N、F共掺杂多孔碳纳米纤维（CuNDs@NFPCNFs），以提高氧还原反应活性和锌空气电池性能。该工作首次通过实验和理论计算模拟发现并证明了铜纳米点与N、F共掺杂多孔碳纳米纤维界面处的电荷调制效应，可显着提高ORR的催化活性。这项工作有助于理解金属纳米点修饰的碳材料增强 ORR 活性的机制，并可作为高性能催化剂设计的新思路。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.05.147