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近日，化材學(xué)院胡勇教授與顏磊博士等人在國(guó)際頂級(jí)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?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換的理想設(shè)備之一。然而，RZABs的廣泛應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)，特別是空氣陰極的氧析出反應(yīng)（OER）和氧還原反應(yīng)（ORR）的動(dòng)力學(xué)緩慢問(wèn)題。這兩個(gè)電催化反應(yīng)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(lái)，研究人員通過(guò)精心選擇催化位點(diǎn)并系統(tǒng)調(diào)節(jié)其活性位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了顯著的雙功能電化學(xué)性能提升，但將這些材料應(yīng)用于RZAB的實(shí)際性能卻不盡如人意。這是因?yàn)镽ZAB的陰極催化劑的電催化過(guò)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(yùn)行，無(wú)需額外的氧氣供應(yīng)。這與三電極系統(tǒng)中常用的旋轉(zhuǎn)盤(pán)電極（RDE）技術(shù)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(diǎn)對(duì)電池實(shí)際工作環(huán)境下局部微環(huán)境的敏感性，包括反應(yīng)物/中間物濃度、界面電子傳遞、反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)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(yīng)效率，將是提高RZAB性能的關(guān)鍵所在。

該研究通過(guò)設(shè)計(jì)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(guān)鍵作用，而外部的纖維支撐則建立了一個(gè)可增強(qiáng)電子傳質(zhì)的三維框架。這種結(jié)構(gòu)上的協(xié)同效應(yīng)有效地調(diào)節(jié)了活性位點(diǎn)周?chē)奈h(huán)境，不僅在ORR和OER過(guò)程中促進(jìn)了氣體擴(kuò)散和離子傳質(zhì)，還有利于氧氣吸附/擴(kuò)散和緩解氧還原反應(yīng)過(guò)程中的局部pH值變化。同時(shí)這種獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也有能夠促進(jìn)OER反應(yīng)過(guò)程中生成的氧氣的釋放和界面電子的轉(zhuǎn)移。通過(guò)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?chē)植縫H變化證實(shí)了該結(jié)構(gòu)能夠加快OH^-的傳質(zhì)過(guò)程，從而促進(jìn)4電子ORR反應(yīng)的發(fā)生。O₂-TPD、浮泡角測(cè)試以及有限元模擬共同證明該結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)催化劑對(duì)氧氣的吸附能力。原位光學(xué)顯微鏡證實(shí)了該結(jié)構(gòu)在OER過(guò)程中可以促進(jìn)氣泡的排出，從而降低充電過(guò)程的電位，延長(zhǎng)催化循環(huán)壽命。隨后通過(guò)原位Raman表征證明了Co作為主要活性位點(diǎn)參與到ORR反應(yīng)之中，原位EIS證明了中空膠囊促進(jìn)反應(yīng)過(guò)程中的離子與氣體傳質(zhì)。理論計(jì)算進(jìn)一步證實(shí)了碳膠囊結(jié)構(gòu)的存在對(duì)于Co位點(diǎn)的電子調(diào)控作用，并表現(xiàn)出了更強(qiáng)的氧氣吸附能力，以及降低的OER/ORR反應(yīng)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(zhǔn)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(xué)院  顏磊）