近日，化材学院胡勇教授与颜磊博士等人在国际顶级期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy（中科院1区TOP，IF=22.1）发表题为“Customizing oxygen electrocatalytic microenvironment with S, N codoped carbon nanofibers confining carbon nanocapsules and Co9S8nanoparticles for rechargeable Zn-air batteries”的研究论文。
可充电锌空气电池（RZABs）以其高安全性、低成本和令人瞩目的理论能量密度（1086 Wh kg Zn-1），成为能量储存和转换的理想设备之一。然而，RZABs的广泛应用仍面临挑战，特别是空气阴极的氧析出反应（OER）和氧还原反应（ORR）的动力学缓慢问题。这两个电催化反应直接影响到RZAB的放电和充电性能，从而决定了能源效率和循环寿命。近年来，研究人员通过精心选择催化位点并系统调节其活性位点，实现了显著的双功能电化学性能提升，但将这些材料应用于RZAB的实际性能却不尽如人意。这是因为RZAB的阴极催化剂的电催化过程发生在气/固/液三相界面上，且需要在正常环境条件下运行，无需额外的氧气供应。这与三电极系统中常用的旋转盘电极（RDE）技术有很大不同，后者需要特定的旋转速度和氧气饱和的电解质。这些差异凸显了催化位点对电池实际工作环境下局部微环境的敏感性，包括反应物/中间物浓度、界面电子传递、反应物和产物的扩散、局部pH值等因素。因此，深入研究和优化这些微环境因素，以提升所需的催化反应效率，将是提高RZAB性能的关键所在。
该研究通过设计优化结构制备了一种碳纳米纤维催化剂（CNC/Co9S8@SNCF），该催化剂由中空碳胶囊和Co9S8颗粒组装而成。催化剂内部引入的碳纳米胶囊层发挥了“气体缓冲”的关键作用，而外部的纤维支撑则建立了一个可增强电子传质的三维框架。这种结构上的协同效应有效地调节了活性位点周围的微环境，不仅在ORR和OER过程中促进了气体扩散和离子传质，还有利于氧气吸附/扩散和缓解氧还原反应过程中的局部pH值变化。同时这种独特的纳米结构特点也有能够促进OER反应过程中生成的氧气的释放和界面电子的转移。通过BET分析发现碳纳米胶囊的引入显著增加了催化剂的比表面积，RDE电极周围局部pH变化证实了该结构能够加快OH-的传质过程，从而促进4电子ORR反应的发生。O2-TPD、浮泡角测试以及有限元模拟共同证明该结构能够促进催化剂对氧气的吸附能力。原位光学显微镜证实了该结构在OER过程中可以促进气泡的排出，从而降低充电过程的电位，延长催化循环寿命。随后通过原位Raman表征证明了Co作为主要活性位点参与到ORR反应之中，原位EIS证明了中空胶囊促进反应过程中的离子与气体传质。理论计算进一步证实了碳胶囊结构的存在对于Co位点的电子调控作用，并表现出了更强的氧气吸附能力，以及降低的OER/ORR反应能垒。以此组装的液态锌-空气电池具有较高的功率密度（280 mW cm-2）、比容量（758 mAh g-1）和循环稳定性（1200 h）。柔性准固态锌-空气电池也具有良好的可充电性和广泛的适用性。
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337324003746
（化材学院 颜磊）
