可充电锌-空气电池由于其高能量容量(820 mAh g⁻¹)、低成本和安全优势，被广泛认为是最有前途的能量转换和存储系统之一。然而，发生氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的空气阴极动力学缓慢，严重阻碍了锌-空气的实际应用。碱性溶液中的ORR一般遵循两电子过程生成超氧化物(O₂⁻)或四电子过程生成氢氧化物(OH⁻)，后者具有更高的效率和无腐蚀性；碱性OER机理涉及金属羟基氧化物(M-OH)的生成，最终分解为O₂和H₂O。

同时，ORR和OER都是在三相边界(固体催化剂，气体氧气和液体电解质)发生的多相电化学过程，导致高极化电阻和低氧反应性，这需要通过高效的电催化剂来克服。虽然贵金属基催化剂Pt/C和RuO₂/IrO₂分别在ORR和OER反应中表现出优异的性能，但它们仍存在成本高、资源匮乏、稳定性差和双功能性差等问题。因此，研发高性能、低成本的先进双功能电催化剂已成为推动锌-空气电池实际应用的关键。

近日，湖南大学张世国、贵州大学梁锦霞和珠海中科先进技术研究院陈正件等通过对含Co²⁺和Ni²⁺的ZIF-8催化剂进行可控热解，制备了Co/Ni-NC单原子催化剂，其表现出优异的OER/ORR双功能活性。

实验结果表明，在0.1 M KOH溶液中，Co/Ni-NC催化剂在10 mA cm⁻²电流密度下的OER过电位为361 mV；在相同条件下，该催化剂的半波电位(E_1/2)和动力学电流密度分别为0.89 V_RHE和35.5 mA cm⁻²。此外，Co/Ni-NC在0.6至1.0 V_RHE范围内CV循环10000次，ORR的半波电位仅衰减8 mV；并且其在0.6至1.0 V_RHE范围内CV循环2000次后，OER的过电位增加可忽略不计，表明Co/Ni-NC具有优异的稳定性。

理论计算表明，通过电子相互作用，NiN₄位点显著激活了邻近CoN₄活性位点的双功能ORR/OER活性。具体而言，Co/Ni-NC(相对于Co-NC)中Co的d带中心明显向费米能级移动，Ni(相对于Ni-NC)中Co的d带中心远离费米能级，实现了Co与Ni之间的d-d耦合，即CoN₄-NiN₄对之间的长程d-d耦合调节了CoN₄活性位点的电子排布和中间体的亲和力，使其具有优异的电催化氧电反应活性。

此外，为了验证Co/Ni-NC催化剂实际应用潜力，将其作为空气电极组装了锌-空气电池，该电解的容量高达771 mAh g^-1、电压间隙仅≈0.65 V，以及可连续工作340 h，优于Pt/C-RuO₂基锌-空气电池。

Hetero-diatomic CoN₄-NiN₄ site pairs with long-range coupling as efficient bifunctional catalyst for rechargeable Zn–air batteries Advanced Science 2024. DOI: 10.1002/advs.202310231