随着能源环境污染问题的日益凸显,人类对绿色能源的需求愈发强烈,开发具有高能量密度和环境友好的可持续能源储存与转换装置具有重要的意义。锌-空气电池(Zinc-air battery,ZAB)具有较高的理论能量密度、低成本和安全无污染等优点,被认为是最有发展前景的绿色能源储存转换装置之一。然而,锌-空气电池中阴极氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)机理复杂,过电位较高,极大的限制了ZAB的应用。目前,铂碳和钌/铱氧化物被认为是最优的ORR、OER催化剂,但其成本高、稀缺、长期稳定性差等缺点,限制了ZAB的商业化应用。因此,开发高稳定性、低成本的非贵金属双功能催化剂对于促进ZAB的商业化发展具有一定的现实意义。目前,常用的ZAB高效催化剂种类有很多,例如非金属杂原子掺杂碳材料、过渡金属氧化物碳材料、钙钛矿金属氧化物材料和杂原子与过渡金属共掺杂碳材料等。其中,杂原子与过渡金属共掺杂碳材料因其具有资源丰富、成本低、导电率高和制备方法简单等优点,被认为是最有可能取代贵金属材料的双功能催化剂。杂原子与过渡金属共掺杂碳材料制备方法众多,金属-有机骨架(MOFs)具有孔径可调节、高比表面积和杂原子均匀掺杂等优点,被认为是制备杂原子与过渡金属共掺杂碳材料的理想模板。基于此,本文以2-甲基咪唑为配体和以钴、锌为金属节点,采用简单可重复的方法合成了MOFs核壳模板,利用低沸点的Zn原子稀释高沸点的Co活性位点,制备得到了完整的N、S共掺杂碳基体包覆Co/CoO纳米催化剂,随后,又采用三维有序PS模板填充和酸处理等方法提高催化剂的分散度与稳定性,制备得到了杂原子掺杂碳基体包覆的Co基双功能催化剂,具体内容如下:(1)采用简便、可重复的方法,首先构建新型含N、S杂原子的梭形Zn-MOF@Co-MOF,然后在Ar气氛下煅烧经尿素处理过的Zn-MOF@Co-MOF,从而合成N、S共掺杂碳基体包覆Co/CoO纳米复合材料(Co/CoO@NSC)。所得Co/CoO@NSC催化剂具有高度分散的金属纳米颗粒和丰富的孔隙结构,增强了ORR和OER性能,在0.1 M KOH溶液中,起始电位为0.975 V(vs.RHE),半波电位为0.835 V(vs.RHE),E_j=10为1.61 V(vs.RHE)。基于Co/CoO@NSC的液态锌-空气电池(759.7 m Ah/g,990.5 Wh/kg)和固态锌-空气电池(680 m Ah/g,911.2Wh/kg)均表现出较高的比容量和能量密度,并且具有超长的充放电循环寿命(液态ZAB>1200次循环,固态ZAB>858次循环)。(2)采用简便的方法在聚苯乙烯(PS)表面合成双核Co-Zn-MOF,然后将其于850℃煅烧后进行酸雾处理,得到了多孔且石墨化程度高的N、P共掺杂碳基体包覆的Co基双功能催化剂(Co@PNC-T)。酸雾处理方法可以有效地修饰催化剂表面,去除表面吸附的不稳定金属纳米颗粒,从而提高催化剂的稳定性。通过这种方法,所得Co@PNC-850-0.1H催化剂的ORR/OER性能显著提高,在0.1 M KOH条件下,OER和ORR之间的电位差仅为0.734 V(vs.RHE)。此外,当其应用于液态锌-空气电池时,表现出较高的功率密度(194.3 m W/cm~2)和比容量(779.7m Ah/g),并具有超长的循环性能((29)550 h)。基于Co@PNC-850-0.1H的新型纽扣式固态锌-空气电池同样表现出较大的应用潜力,比容量高达723 m Ah/g,并且充放电循环可稳定维持200 h,展现出良好的稳定性能。