關(guān)于下一代高比能動(dòng)力電池的發(fā)展，目前有幾種路線可供選擇，一種是全固態(tài)鋰金屬電池，這是目前被廣泛接受和認(rèn)可的技術(shù)路線，美國的“Battery 500”計(jì)劃就是旨在通過開發(fā)金屬鋰二次電池技術(shù)的實(shí)現(xiàn)電池組比能量達(dá)到500Wh/kg的目標(biāo)，日本的固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)處于全球領(lǐng)先水平，其開發(fā)的硫化物電解質(zhì)離子電導(dǎo)率甚至可以和液態(tài)電解質(zhì)相媲美；另外一條技術(shù)路線就是金屬-空氣電池，例如目前主流的Li-空氣和Na-空氣電池，其理論比能量超過2000Wh/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋰離子動(dòng)力電池。
氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）是金屬-空氣電池的兩個(gè)重要反應(yīng)。開發(fā)低成本雙功能催化劑并確定活性位點(diǎn)仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。大量的研究表明非金屬雜元素（N、S、P等）摻雜碳材料是一種有效的雙功能催化劑，但目前有關(guān)該類型催化劑的活性中心仍存在爭議，其中一個(gè)主要原因是雜原子摻雜的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定的缺陷，理清活性中心（摻雜效應(yīng)、缺陷效應(yīng)或者摻雜與缺陷之間協(xié)同效應(yīng)）對(duì)于合成高性能ORR/OER催化劑非常迫切。此外，在較高過電位條件下，ORR/OER涉及到氣體的快速消耗與生成，設(shè)計(jì)分級(jí)介-大孔結(jié)構(gòu)無疑對(duì)催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)起到積極作用。
為此，中南大學(xué)雷永鵬教授與和湖南大學(xué)王雙印教授、中科院王要兵教授及國防科大王應(yīng)德教授合作，以氧化石墨烯和g-C3N4納米片為原料，經(jīng)水熱自組裝和高溫?zé)崽幚碇苽淞烁呖兹荩?.43 cm-3 g-1）的氮摻雜石墨烯氣凝膠（NDGs-800）。該材料富吡啶氮、富缺陷，ORR性能超越商業(yè)Pt/C催化劑，同時(shí)也表現(xiàn)出較好的OER活性。組裝的鋅空氣電池具有超高的能量密度（872.3 Wh kg-1），連續(xù)循環(huán)充放電78 h，活性沒有明顯衰減，可媲美貴金屬Pt/C+Ir/C催化劑。蘇州大學(xué)李有勇教授團(tuán)隊(duì)的理論計(jì)算首次發(fā)現(xiàn)吡啶氮和空位缺陷的協(xié)同機(jī)制，相比其它構(gòu)型的碳，4個(gè)吡啶氮協(xié)同的空位毗鄰的碳催化活性最高，過電勢最低（ORR:0.28V；OER:0.28V）。該工作為設(shè)計(jì)高性能非金屬催化劑提供了借鑒。