近日，化材學院胡勇教授與顏磊博士等人在國際頂級期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》（中科院1區(qū)TOP，IF=22.1）發(fā)表題為《調(diào)控基于碳膠囊與Co9S8納米顆粒組成的S，N共摻雜碳纖維氧電催化劑的界面微環(huán)境用于高效鋅空電池》“Customizing oxygen electrocatalytic microenvironment with S, N codoped carbon nanofibers confining carbon nanocapsules and Co9S8nanoparticles for rechargeable Zn-air batteries”的研究論文。
可充電鋅空氣電池（RZABs）以其高安全性、低成本和令人矚目的理論能量密度（1086 Wh kg Zn-1），成為能量儲存和轉(zhuǎn)換的理想設備之一。然而，RZABs的廣泛應用仍面臨挑戰(zhàn)，特別是空氣陰極的氧析出反應（OER）和氧還原反應（ORR）的動力學緩慢問題。這兩個電催化反應直接影響到RZAB的放電和充電性能，從而決定了能源效率和循環(huán)壽命。近年來，研究人員通過精心選擇催化位點并系統(tǒng)調(diào)節(jié)其活性位點，實現(xiàn)了顯著的雙功能電化學性能提升，但將這些材料應用于RZAB的實際性能卻不盡如人意。這是因為RZAB的陰極催化劑的電催化過程發(fā)生在氣/固/液三相界面上，且需要在正常環(huán)境條件下運行，無需額外的氧氣供應。這與三電極系統(tǒng)中常用的旋轉(zhuǎn)盤電極（RDE）技術有很大不同，后者需要特定的旋轉(zhuǎn)速度和氧氣飽和的電解質(zhì)。這些差異凸顯了催化位點對電池實際工作環(huán)境下局部微環(huán)境的敏感性，包括反應物/中間物濃度、界面電子傳遞、反應物和產(chǎn)物的擴散、局部pH值等因素。因此，深入研究和優(yōu)化這些微環(huán)境因素，以提升所需的催化反應效率，將是提高RZAB性能的關鍵所在。
該研究通過設計優(yōu)化結(jié)構(gòu)制備了一種碳納米纖維催化劑（CNC/Co9S8@SNCF），該催化劑由中空碳膠囊和Co9S8顆粒組裝而成。催化劑內(nèi)部引入的碳納米膠囊層發(fā)揮了“氣體緩沖”的關鍵作用，而外部的纖維支撐則建立了一個可增強電子傳質(zhì)的三維框架。這種結(jié)構(gòu)上的協(xié)同效應有效地調(diào)節(jié)了活性位點周圍的微環(huán)境，不僅在ORR和OER過程中促進了氣體擴散和離子傳質(zhì)，還有利于氧氣吸附/擴散和緩解氧還原反應過程中的局部pH值變化。同時這種獨特的納米結(jié)構(gòu)特點也有能夠促進OER反應過程中生成的氧氣的釋放和界面電子的轉(zhuǎn)移。通過BET分析發(fā)現(xiàn)碳納米膠囊的引入顯著增加了催化劑的比表面積，RDE電極周圍局部pH變化證實了該結(jié)構(gòu)能夠加快OH-的傳質(zhì)過程，從而促進4電子ORR反應的發(fā)生。O2-TPD、浮泡角測試以及有限元模擬共同證明該結(jié)構(gòu)能夠促進催化劑對氧氣的吸附能力。原位光學顯微鏡證實了該結(jié)構(gòu)在OER過程中可以促進氣泡的排出，從而降低充電過程的電位，延長催化循環(huán)壽命。隨后通過原位Raman表征證明了Co作為主要活性位點參與到ORR反應之中，原位EIS證明了中空膠囊促進反應過程中的離子與氣體傳質(zhì)。理論計算進一步證實了碳膠囊結(jié)構(gòu)的存在對于Co位點的電子調(diào)控作用，并表現(xiàn)出了更強的氧氣吸附能力，以及降低的OER/ORR反應能壘。以此組裝的液態(tài)鋅-空氣電池具有較高的功率密度（280 mW cm-2）、比容量（758 mAh g-1）和循環(huán)穩(wěn)定性（1200 h）。柔性準固態(tài)鋅-空氣電池也具有良好的可充電性和廣泛的適用性。
（化材學院 顏磊）
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