可充電鋅-空氣電池(ZABs)由于具有成本低、環(huán)境友好和理論能量密度高(1084 Wh kg^-1)等優(yōu)點，被認(rèn)為是滿足未來能源需求的有前景的技術(shù)。然而，由于涉及多電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)途徑，ZABs空氣陰極的氧還原反應(yīng)(ORR)和析氧反應(yīng)(OER)兩個關(guān)鍵反應(yīng)需要高能量輸入，并且動力學(xué)緩慢嚴(yán)重限制了ZABs的實際應(yīng)用。因此，開發(fā)具有低成本和優(yōu)異雙功能催化活性的電催化劑具有重要意義。

近日，華東師范大學(xué)黃愛生和中科院福建物構(gòu)所溫珍海等通過熱解共價連接的COF@ZIF-67來制造核殼碳基雜化物(H-NSC@Co/NSC)作為ORR和OER的高效雙功能電催化劑。

H-NSC@Co/NSC具有獨特核殼結(jié)構(gòu)，包含COF衍生的中空N、S共摻雜碳(H-NSC)核和ZIF-67衍生的嵌有Co納米顆粒(NPs)的碳基質(zhì)(Co/NSC)的殼。COF核內(nèi)的空腔具有低密度和高滲透性，有利于擴(kuò)散動力學(xué)，并使得活性位點對周圍反應(yīng)物的具有高可及性；ZIF-67衍生的具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的Co/NSC殼對催化OER/ORR具有高活性。

此外，包裹在N，S共摻雜碳基質(zhì)中的Co NPs可以有效地避免Co NPs的團(tuán)聚，保護(hù)Co NPs免受電解質(zhì)的侵蝕。

源自獨特的中空結(jié)構(gòu)以及碳基體和嵌入的Co NPs之間的強(qiáng)協(xié)同效應(yīng)，核殼H-NSC@Co/NSC雜化物在OER和ORR中表現(xiàn)出優(yōu)異的雙功能電催化活性。H-NSC@Co/NSC組裝的ZABs可以表現(xiàn)出204.3 mW cm^-2的高功率密度、較小的充放電電壓差和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，超過了與Pt/C+RuO₂組裝的ZABs。

密度泛函理論(DFT)計算表明，嵌入的Co納米粒子(NPs)可以有效地調(diào)節(jié)Co/NSC殼上碳骨架的電子結(jié)構(gòu)，促進(jìn)氧中間體的吸附并提高催化活性。因此，通過COFs和MOFs的合理雜化以設(shè)計具有雙功能活性的高效碳基電催化劑是可行的，這為設(shè)計用于能量轉(zhuǎn)換和存儲的高效電催化劑提供一種策略。

Core-Shell Carbon-Based Bifunctional Electrocatalysts Derived from COF@MOF Hybrid for Advanced Rechargeable Zn-Air Batteries. Small, 2022. DOI: 10.1002/smll.202202018