在全球能源危机与环保压力日益严峻的当下，开发高能量密度、长寿命的储能技术成为科研界的核心课题。Li–O2电池凭借3500 Wh·kg‒1的超高理论能量密度，被视为下一代储能领域的“潜力股”，但氧还原反应（ORR）与氧析出反应（OER）动力学缓慢的问题，始终制约其商业化进程。
近日，苏州科技大学化学与生命科学学院吴海涛老师和董延茂教授团队在《Journal of Energy Storage》发表重要研究成果“One-dimensional porous MnCo2O4/CF nanofibers prepared by electrospinning as efficient bifunctional electrocatalyst for Li–O2 batteries”。研究者通过电纺丝技术将碳纳米纤维（CF）与MnCo2O4尖晶石复合，制备出一维多孔MnCo2O4/碳纳米纤维（MnCo2O4/CF）复合材料，实现了结构和组分的双重调控。其核心优势在于MnCo2O4纳米粒子均匀分布在碳纳米纤维中，二者之间的界面耦合相互作用协同提升了其对ORR/OER的催化活性，展现了良好的双功能催化活性。该研究的创新价值不仅在于性能突破，更在于提出了“尖晶石氧化物-碳材料原位复合”的催化剂设计思路——通过电纺丝技术实现结构与成分的双调控，让活性位点（MnCo2O4）与导电网络（CF）的协同作用最大化，有效解决了单一成分催化剂的固有缺陷。
图1：MnCo2O4静电纺丝前驱体煅烧前后形貌
MnCo2O4/CF煅烧前电纺前驱体呈现细长且均匀的纤维形态（图1a-b），直径约为 300-500 nm；经过空气氛围 400 ℃煅烧后，纤维因聚乙烯吡咯烷酮（PVP）模板的快速碳化发生收缩，最终直径降至 150-200 nm，且保持完整的纤维结构，未出现明显断裂或团聚。
图2：MnCo2O4的物理性能表征
TEM表征（图2a-b）进一步揭示MnCo2O4/CF纳米纤维的微观特征：纤维平均直径约为181 nm，表面亮度差异表明其内部存在介孔结构，该结构源于煅烧过程中PVP碳化产生的气体逸出，可为后续离子扩散与氧气传输提供通道。
图3：MnCo2O4/CF纳米纤维的晶体结构、孔结构与表面化学状态表征
如图3a所示，MnCo2O4/CF中MnCo2O4的特征峰相较于标准JCPDS卡片（No.23-1237）向高角度显著偏移，这是由于MnCo2O4/CF与CF之间存在界面相互作用，引发晶格压缩效应——该效应可增强原子结合力、抑制位错运动，不仅提升材料的结构强度与稳定性，还能调控表面电子结构，为后续催化活性提升奠定基础。
图4：MnCo2O4/CF电极及其对比电极在0.1 M KOH溶液中的催化性能表征
MnCo2O4/CF在水系电解液（0.1 M KOH）条件下，在CV测试中显示出了0.696V的还原峰电位，另外在ORR的极化曲线（图4b）中展现出了大的极限电流密度(‒5.30 mA cm‒2)，OER的LSV极化曲线中显示出了低过电位(460 mV)，优于单独的MnCo2O4 NP和CF电极（图4e），展现了MnCo2O4/CF具备良好的双功能催化活性。
图5：MnCo2O4/CF阴极在Li–O2电池中的电化学性能表征
MnCo2O4/CF作为Li–O2电池氧阴极催化剂，展现出优异的电化学性能。在200 mA g‒1电流密度下，其最大放电容量达6611.2 mAh g‒1，且过电位低至1.24 V；400 mA g‒1时，可稳定循环251次，循环300次后，放电终端电压仍高于2.34 V。MnCo2O4/CF纳米纤维优异的电化学性能，源于结构与成分的协同作用：一维多孔结构为O2、Li+高效传输提供通道，且最大化暴露活性位点；同时，MnCo2O4与CF的界面耦合减少电子/离子传输阻力，抑制MnCo2O4颗粒的团聚，提高复合材料的催化活性。
图6：MnCo2O4/CF阴极初始循环前后的表面形貌变化
此外，在初次放电后，MnCo2O4/CF阴极表面出现了圆盘状的Li2O2放电产物（图6c）这种圆盘状形貌既有利于放电容量提升，也为后续充电分解提供清晰的反应界面。充电后，表面圆盘状放电产物几乎完全分解，展现了良好的电极可逆性。
综上所述，锰钴尖晶石（MnCo2O4）与碳纳米纤维（CF）之间的原位耦合构建了连续的离子/电子传输路径，将MnCo2O4的双功能催化活性与碳纳米纤维的优异导电性有效结合。所制备的材料展现出良好的ORR与OER双功能催化活性，同时展现出了优异的电极可逆性与锂氧电池性能。本研究通过对材料结构与组成元素的双重调控，为尖晶石氧化物与碳材料的原位复合提供了新范式，也为制备高性能锂-氧电池双功能催化电极材料开辟了新路径。
论文连接：https://doi.org/10.1016/j.est.2025.118082
人物简介：
吴海涛，苏州科技大学硕士研究生导师。博士毕业于北京理工大学化学工程与技术专业。主持省部级课题3项，主要从事锂氧气电池、锂/钠离子电池等新型化学电源储能材料、器件及电催化（电解水）的研究。至今在国际学术刊物Chem. Eng. J., J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上发表SCI论文30余篇，申请国家发明专利8项，授权5项。
董延茂，苏州科技大学教授，硕士研究生导师。主要从事环境功能材料的固废改性、资源回收、循环利用研究和设计新型环境友好功能高分子及其纳米复合材料，开展阻燃、自修复机理研究。参与主持完成20余项国家级、省部级课题，发表论文120余篇，副主编著作1部，已获授权发明专利20余项。科技成果曾获全国设备管理与技术创新成果奖一等奖、华夏建设科技奖三等奖、江苏建设科技二等奖、江苏省职工十大科技创新成果二等奖等荣誉。江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师培养人选、江苏省“企业博士集聚计划”资助人选、湖州市领军人才。
