可规模化：静电纺丝+热解制备的串珠状 MOF 衍生 Co/Co-Nₓ-C 纳米纤维用于高功率长寿命锌空气电池

能源危机促使锌空气电池快速发展，但充放电过程的 ORR/OER 反应动力学缓慢，商用贵金属催化剂又存在成本高昂、循环稳定性差的缺陷。MOF 衍生 M-N-C 材料是极具潜力的非贵金属替代催化剂，可构建丰富催化活性位点，不过传统粉末样品极易团聚、循环过程中结构易坍塌；静电纺丝技术虽能制备无粘结剂自支撑纤维电极，打通连续导电与传质通道，但纤维表面 MOF 催化团簇间距对催化性能的内在调控机制仍缺乏系统探究，行业亟需一套精准可控、适配规模化量产的制备方案，从材料结构层面同步提升锌空气电池综合性能。

针对上述现存难题，东华大学乔锦丽教授课题组联合比利时哈塞尔特大学、韩国科学技术研究院团队，于 2026 年在《Advanced Functional Materials》发表了可规模化制备串珠状 MOF 基钴氮共掺杂碳纳米纤维的相关研究。团队选取 ZIF-67 与 PAN 混合溶液作为静电纺丝前驱体，通过调控两组分质量比精准改变纤维表面催化团簇的间距，再经空气预氧化、高温氮气碳化处理，制备出一系列自支撑 Co/Co-Nₓ-C 纳米纤维膜。研究整合电镜、XRD、拉曼、XPS、同步辐射 XAS 多种表征手段解析材料微观形貌、孔结构与钴元素配位环境，利用三电极电化学系统评价材料 ORR/OER 双功能催化活性，分别搭建液态、准固态柔性锌空气电池验证实际器件应用潜力，同时结合 DFT 理论计算阐明团簇间距调控催化动力学的微观电子机理；除此之外，研究还采用多层纤维膜堆叠工艺实现材料连续大批量制备，有效解决传统粉末催化剂依赖粘结剂、难以工业化生产的痛点。

系统对比全部样品后筛选出最优材料 Co/Co-Nₓ-C@CNF-1.5，该样品纤维表面催化团簇间距恰好为 500 nm，同时搭载金属 Co 纳米颗粒与原子级 Co-Nₓ两类活性位点，双功能氧催化性能显著优于商用 Pt/C-Ir 贵金属复合催化剂。装配该电极的液态锌空电池拥有出色的功率、能量密度，循环寿命更是贵金属体系的 4.5 倍；对应的准固态柔性电池在反复弯折后仍能稳定工作，机械适配性突出。DFT 理论结果进一步证实，适中的团簇间距能够平衡相邻钴活性位点间的电子耦合强度，降低氧电化学反应决速步能垒。整体而言，该研究提出一套普适性静电纺丝 - 热解合成路线，清晰阐明催化团簇间距的核心调控作用，为高性能、长寿命、可穿戴柔性锌空气电池无贵金属空气阴极的结构设计与工业化量产，同时提供完备的理论依据与可行技术方案。

图1. 材料合成与微观形貌表征图

(a) Co/Co-Nₓ-C@CNF-X 材料的合成流程示意图；(b) 不同 ZIF-67 负载量（X=0.5、1、1.5、2、2.5）Co/Co-Nₓ-C@CNF-X 纤维结构示意图；(c–g) 对应样品的透射电镜图；(h) 最优样品 Co/Co-Nₓ-C@CNF-1.5 的高分辨透射电镜图；(i) Co/Co-Nₓ-C@CNF-1.5 的高角环形暗场扫描透射电镜图；(j) 对应的元素分布 mapping 图

图2.物相、表面价态与同步辐射配位表征图

(a) Co/Co-Nₓ-C@CNF-1.5 的 X 射线衍射图谱与拉曼光谱；(b) 高分辨 N 1s X 射线光电子能谱；(c) 高分辨 Co 2p X 射线光电子能谱；(d) ZIF-67 前驱体与系列 Co/Co-Nₓ-C@CNF-X 样品中吡啶氮、吡咯氮、石墨氮、Co-N 配位键、金属钴单质的含量统计；(e) Co/Co-Nₓ-C@CNF-1.5 与钴箔、氧化钴、钴酞菁标样归一化 Co K 边 X 射线近边吸收谱；(f) 傅里叶变换扩展 X 射线吸收精细结构谱；(g) 钴箔、(h) 钴酞菁、(i) Co/Co-Nₓ-C@CNF-1.5 的 Co K 边扩展吸收精细结构小波变换等高线图。

图3.三电极ORR/OER电化学性能测试图

(a) Co/Co-Nₓ-C@CNF-1.5 与 Pt/C-Ir 复合催化剂在氮气、氧气饱和 0.1 mol/L 氢氧化钾电解液中的循环伏安曲线；(b) 氧还原反应线性扫描伏安曲线；(c) 氧还原塔菲尔斜率曲线；(d) 旋转环盘电极测试得到的氧还原电子转移数与过氧化氢产率；(e) 氮气饱和 1 mol/L 氢氧化钾电解液中氧析出反应线性扫描伏安曲线；(f) 氧析出塔菲尔斜率曲线；(g) 氧还原 / 氧析出双功能一体化线性扫描伏安曲线；(h) 本工作催化剂与已报道文献催化剂的氧催化性能对比图。

图4.液态锌空气电池器件性能图

(a) 液态锌空气电池结构示意图；(b) 电池开路电压曲线；(c) 10 mA cm⁻² 电流密度下比容量曲线（插图为对应能量密度）；(d) 放电极化曲线与对应的功率密度曲线；(e) 10 mA cm⁻² 恒流充放电循环曲线（插图为电压效率）；(f) 分别以 Co/Co-Nₓ-C@CNF-1.5、Pt/C-Ir 为空气阴极的电池总交流阻抗曲线；(g) 本工作催化剂与已报道催化剂的开路电压、循环寿命对比汇总图。

图5.准固态柔性锌空气电池器件性能图

(a) 准固态柔性锌空气电池结构示意图；(b) 放电极化曲线与对应功率密度曲线；(c) 2 mA cm⁻² 电流密度下比容量曲线（插图为对应能量密度）；(d) 电池总交流阻抗曲线；(e) 2 mA cm⁻² 下恒流充放电循环曲线（插图为电压效率）；(f) 本工作与已报道准固态锌空气电池的功率密度、开路电压对比；(g) 不同弯折角度下 2 mA cm⁻² 恒流循环稳定性曲线。

图6.DFT理论计算催化机理图

(a) 团簇间距分别为 2 Å、6 Å、14 Å 的 Co₆@Co-N₄理论计算模型；(b) 氧还原、氧析出反应吉布斯自由能反应路径图；(c) 中间体 * OH 吸附时的差分电荷密度与巴德电荷转移（蓝色代表电荷消耗，黄色代表电荷富集）；(d) 2 Å、(e) 6 Å、(f) 14 Å 间距模型下 Co 3d 轨道分态密度图。