近日，纺织工程系包新军副教授与中南大学刘金龙副教授团队合作，在锌-空气电池领域取得新突破，研究成果以“Monomer-Ratio Controlled Pyridinic-N Enrichment Modulating p-Band Centers in Carbon Nanospheres for Efficient Zinc-Air Batteries”为题，发表于化学领域国际顶尖期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)(SCI一区Top, IF=16.9)。包新军副教授为论文共同第一作者，刘金龙副教授为通讯作者。《德国应用化学》(Angewandte Chemie)创刊于1888年，是德国化学学会GDCh)的官方期刊并由Wiley-VCH出版，是化学研究领域最具有影响的顶级学术期刊。

团队通过密度泛函理论计算理论计算了吡啶氮能最优地调控相邻碳原子的p带中心上移，从而将氧还原反应速率决定步骤(*O₂ → *OOH)的能垒显著降低至0.17 eV，这从理论上揭示了吡啶氮作为高活性位点的优越性。

图1理论计算

在理论预测的指导下，通过精确调控前驱体苯胺与吡咯的单体摩尔比例，成功制备了一系列氮掺杂碳纳米球(AₓPᵧ-NC)。其中，当苯胺与吡咯比例为0.5:0.5时，所得A_0.5P_0.5-NC催化剂实现了高达38.91%的吡啶氮含量，并具备高比表面积(1699 m²·g^-1)和均匀的介孔结构。电化学测试结果验证了该催化剂的卓越性能：其在碱性介质中的半波电位(E_1/2)达到0.86 V(相对于可逆氢电极)，优于商用20 wt.% Pt/C催化剂。研究成果最终在实际器件中展现出巨大应用潜力。以上述催化剂组装的液态锌空气电池，其开路电压达1.46 V，峰值功率密度为127.1 mW·cm^-2，比容量高达729.7 mAh·gzn^-1，并且在200次循环后仍保持优异稳定性。此外，基于该催化剂组装的柔性锌空气电池也表现出高功率密度(42.5 mW·cm^-2)和长循环寿命，性能均超越Pt/C基准。

图2液态和柔性锌-空气电池电化学性能

该研究得到了国家自然科学基金(22405297)、湖南省科技创新计划(2023RC3034)和湖南省自然科学基金(2024JJ7096)等多个基金项目的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202515992

（审核：何斌  程浩南   谭小明）