氧化还原反应（ORR/OER）是燃料电池和金属空气电池中关键的电化学过程，但高效ORR/OER电催化剂的快速大规模生产仍然具有挑战性。近日，我校机械学院黄俊锋讲师与深圳大学、安徽工业大学、三峡大学合作，提出了一种开创性的微波合成策略，可快速制备公斤级ORR/OER双功能电催化剂。该策略利用微波辐照产生瞬时热能，构建连接钴单原子和纳米颗粒的纳米碳桥结构，显著提升了电子/质量传递动力学和活性位点利用率。相关成果以“Facile Microwave Synthesis of Kilogram-Scale Electrocatalysts with Nanocarbons Bridged Cobalt Active Sites for Enhanced Oxygen Electrocatalysis”为题发表在国际知名期刊《Advanced Energy Materials》上，并被评选为正封面（front cover）文章。
燃料电池和锌空电池因其超高理论能量密度成为绿色能源转换的重要选择，但其性能受限于ORR/OER反应的缓慢动力学。目前贵金属催化剂（Pt/C、Ir/RuO₂）存在成本高、稳定性差等问题。过渡金属单原子催化剂（M-N-C）因其高原子利用率展现出优势，但孤立M-N4位点的活性和稳定性仍有不足。最新研究通过构建单原子与纳米颗粒的杂化体系实现协同催化：M-N4位点优化氧吸附能，金属NPs增强OER活性和结构稳定性。金属有机框架（如ZIF）是理想的催化剂前驱体，但其传统热解法制备存在金属团聚等问题。微波辅助合成技术具有快速、高效、抑制团聚等独特优势。然而，如何实现高性能催化剂的大规模制备仍是当前面临的主要挑战。
本研究提出了一种高效、可规模化的微波热解策略，用于制备具有碳桥连接的钴单原子/纳米颗粒协同网络双功能ORR/OER电催化剂。该策略采用定制反应器实现分钟级快速热解，单批次产量达1.07 kg，并有效抑制金属团聚，显著优于传统热解法。该策略的关键创新在于构建了"纳米碳桥"管状网络，通过锚定钴颗粒和单原子的功能化碳基体（"桥墩"）与碳纳米管（"桥身"）的协同作用，实现了钴物种与碳基体之间的结构和电子耦合。所得碳桥结构形成分级传质通道，增强电导率和反应物传输，使最优CBCo-800催化剂展现卓越双功能活性（ΔE = 0.696 V），优于商用Pt/C+RuO₂（ΔE = 0.707 V）。实验与理论计算表明，Co单原子与纳米颗粒的协同作用优化了氧中间体吸附，降低反应能垒，从而加速ORR/OER动力学。基于CBCo-800的锌空电池实现794 mAh g⁻¹的高比容量和650小时以上的超长循环稳定性。该策略可拓展至多种多孔前驱体，为高性能电催化剂的原子级精准设计与规模化生产提供了可行路径，推动可持续能源技术的发展。
文章链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202500360
（撰稿：黄俊锋；一审：龙建宇；二审：尹华勤；三审：李长平）
作者简介
黄俊锋讲师：硕士生导师，东莞理工学院机械学院讲师。博士毕业于香港理工大学。多年来主要从事金属有机骨架材料的制备及其电催化和医学方向的应用、3D打印技术及其器件制备和大型磁场激发器件的自主研发搭建等研究工作。先后参与多项省市级的科研项目，以第一或通讯作者在《Advanced Energy Materials》、《Journal of Energy Chemistry》、《Journal of Bionanotechnology》、《Applied Surface Science》、《Journal of Energy Storage》等学术刊物上发表学术研究论文18篇。
