近日，Advanced Functional Materials（影响因子18.5）发表我课题组在双碳辅助氧空位工程优化Mn(III)位点增强锌空气电池性能最新成果。论文题目为《Dual-Carbon Assisted Oxygen Vacancy Engineering for Optimizing Mn(III) Sites to Enhance Zn–air Battery Performances》。
研究工作提出了一种新颖的双碳载体支撑策略，特别采用质子化碳化氮(p-C3N4)作为结构强化模块，将α-MnO2固定在N和P元素掺杂的多孔活性碳(NPAC)上，制备出MCC复合材料。通过纳米-微米结构调制，实现了诱导氧空位的形成并优化Mn(III)位点点的d带电荷分布，显著提升了氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)本征双功能催化活性。X射线吸收光谱显示，MCC中形成了氧空位和Mn(III)位点，且在双碳策略的辅助下，α-MnO2的MnO6单元配位结构得到了良好维持，从而使MCC的ORR半波电位达到0.88 V，OER在10 mA cm⁻²电流密度时电位为1.64 V。密度泛函理论(DFT)模拟计算发现，优异的双功能活性来自优化的电荷分布促进了中间体的转化过程，进而提升了电极催化剂对氧电催化反应的反应物转化能力。基于MCC构建的液态电解质的锌空气电池展现出了高达452 mW cm⁻²的峰值功率密度和长达1640小时的循环稳定性。准固态锌空气电池峰值功率密度为175 mW cm⁻²，循环稳定时长为105小时，同样表现出令人满意的性能。该研究不仅在理论上揭示了Mn(III)位点对于提升电池性能的重要性，同时在可充电锌-空气电池的实际应用中得到高性能验证，对于推动电化学储能与转换装置发展，指导设计新型过渡金属氧化物碳基材料具有重要指导意义。
图1. MCC制备流程示意图
图2分别为MnO2、MC和MCC的（a）EPR信号，（b）紫外-可见光谱，（c）带隙估算，（d）NPAC、MnO2、MC和MCC的O 1s光谱，（e）Mn 2p光谱，（f）Mn 3s光谱，（g）Mn 元素K边X射线吸收近边结构谱，（h）傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构谱，（i）小波变换图谱，（j）双碳策略对氧空位(Ov)形成的影响评估示意图。
论文第一作者为博士生周本基，论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414269