锌-空气电池(ZABs)由于其具有低成本、高比能量和环境友好等特性，成为受人们关注的可持续能源存储和转换系统。然而，在充电和放电过程中，电催化剂上的氧化还原反应在动力学上很慢；在高电流密度下，可能会出现空气电极性能的下降并缩短电池的使用寿命。因此，开发用于氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的低成本和高效双功能催化剂对于加快可充电锌-空气电池的广泛应用至关重要。

近日，加拿大滑铁卢大学陈忠伟和余爱萍等设计并制造了具有出色双功能活性可充电ZAB的三维有序介孔MgxCo3-xO4(3DOM MgxCo3-xO4)。

3DOM MgxCo3-xO4催化剂通过一种简单的硬模板方法合成，其中聚苯乙烯球最初作为Co和Mg前体的主体，并通过热解去除。3DOM MgxCo3-xO4的分级有序多孔结构导致表面积大、Co和Mg元素分布均匀以及导电率高。

对3DOM MgxCo3-xO4的综合物理化学表征和密度泛函理论(DFT)研究揭示了其在ZAB中作为阴极材料的优异活性背后的真正机制：首先，在四面体位点用Mg2+取代Co2+会产生更多的Co3+占据八面体位点，从而促进氧催化，除了与Co-O和Mg-O相关的主要活性位点外，还形成大量的Mg-O-Co反应位点；其次，3DOM结构中相互连接的大孔和中孔缩短了离子和电子的扩散长度，提高了ORR/OER反应动力学和充电/放电速率，同时降低了电压极化。

此外，3DOM MgxCo3-xO4的大表面积增加了电极和电解质之间的界面面积，从而增加了界面处的电荷/质量传递；Mg2+和Co3O4的协同作用优化了MgxCo3-xO4上的氧化还原反应中间体的自由能，大大降低了ORR和OER过电位。

总的来说，该项工作合成了一种有效的ZABs高活性和耐用的双功能氧电催化剂，更重要的是，该工作也阐释了金属掺杂氧化钴基催化剂上的ORR/OER反应机理。

Three-Dimensionally Ordered Mesoporous Co3O4 Decorated with Mg as Bifunctional Oxygen Electrocatalysts for High-Performance Zinc-Air Batteries. Nano Energy, 2022. DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107425