随着“碳中和、碳達峰”綠色經濟發展模式的提出，清潔可持續能源轉換/存儲器件及材料的開發日益受到重視。作為極具發展前景的新一代儲能器件，水系鋅-空氣電池因其高能量密度、高安全性、低成本及環境友好等優點受到廣泛關注。然而，由于空氣正極緩慢的氧還原（ORR）和氧析出（OER）反應，可充電鋅-空氣電池的實際應用仍面臨着巨大的挑戰，迫切需要開發高性能的電極材料。

近日，beat365呂瑞濤研究組在碳基自支撐空氣電極設計及其在可充電鋅-空氣電池應用研究中取得重要進展。研究人員利用缺陷調控策略構築了一種Fe單原子-碳纖維膜柔性自支撐空氣電極，通過将金屬有機框架（MOF）材料和碳纖維複合及随後的碳化、活化處理，調控了碳纖維膜的孔結構和Fe單原子催化位點的配位結構，極大提升了ORR/OER電催化活性，在液态和柔性固态鋅-空氣電池中均表現出優異的性能。

鐵單原子修飾多孔共摻雜碳纖維膜制備過程示意圖

金屬單原子催化劑因其獨特的配位結構、最大化的原子利用率和高本征活性而受到廣泛關注。其中，Fe單原子電催化劑在堿性條件下的ORR反應中具有優于Pt基催化劑的性能。然而，目前Fe單原子電催化劑多為粉末态，通常需要和高分子粘結劑、溶劑混合制成漿料後塗覆在碳布/碳紙上，不僅增加了生産工序和成本，而且在使用過程中催化劑的脫落會導緻活性位的損失。因此，設計和制備自支撐的空氣電極具有重要的意義。

近年來，靜電紡絲法制備碳膜、電沉積碳布和原位生長制備碳基自支撐空氣電極已經有相關報道，但由于其纖維結構緻密，催化活性位點暴露少及活性比表面小等缺點，導緻空氣/電解液滲透傳輸緩慢，催化活性位點利用率低。因此，調控自支撐碳基底的孔結構并負載高活性、高密度和高利用率的Fe單原子催化位點對于發展高效和長壽命的自支撐空氣電極至關重要。

呂瑞濤研究組主要從事碳基材料缺陷設計及性能調控研究，側重于晶格缺陷的可控構築、原子級構型解析以及在清潔能源存儲/轉換、超靈敏分子探測等領域的應用。該研究組與鄭州大學張旭博士、揚州大學侯建華教授、南開大學周震教授合作，采用靜電紡絲法合成了具有層次孔結構的柔性自支撐的碳纖維膜負載Fe單原子催化劑。研究發現NH₃活化對于刻蝕表面封閉的碳層和豐富碳纖維膜的孔隙結構至關重要。通過NH₃活化，電催化劑的比表面積提升約9.5倍，不僅充分暴露了纖維内部被表面碳層掩埋的Fe-N₄/C活性位點，提高了Fe-N₄/C活性位點的利用率，而且促進了氣體和電解液的擴散。此外，NH₃活化也增加了吡啶氮和Fe-N的總含量，促進了Fe-N₄/C活性位點的形成。通過硫和氮之間的協同作用，Fe-N₄/C活性位點的局部配位環境得到了優化，大幅提高了ORR和OER的催化性能。特别是對于ORR，所得催化劑的半波電位和塔菲爾斜率分别為0.89 V和70.82 mV dec^-1，顯著地優于商業Pt/C電催化劑。将Fe/SNCFs-NH₃電催化劑作為鋅-空氣電池正極材料，組裝的液态鋅-空氣電池的峰功率密度高達255.84 mW cm^-2，在1 mA cm^-2電流密度下可穩定工作1000小時。當将其應用到固态鋅-空氣電池中，在平直/彎折/平直的狀态下依然表現出穩定的循環性能，在便攜式和可穿戴電子産品領域展現出良好的應用前景。

(a)以所制備的催化材料作為自支撐空氣電極組裝的液态鋅-空氣電池的循環穩定性。(b)柔性固态鋅-空氣電池結構示意圖。(c)所得電池在柔性電路組成的LED手環中的應用。(d)柔性鋅-空氣電池在平直/彎曲/平直狀态下的充放電曲線

該工作還通過實驗表征和理論計算等方法，深入揭示了硫摻雜在調控ORR和OER催化活性中的重要作用，對雙功能電催化劑設計具有很好的參考價值。相關成果以“Atomic Fe-N₄/C in flexible carbon fiber membrane as binder-free air cathode for Zn-air batteries with stable cycling over 1000 hours”為題發表在國際知名期刊Advanced Materials上。論文的第一作者為beat365博士生楊樂萍，通訊作者為beat365長聘副教授呂瑞濤。該工作得到國家優秀青年科學基金項目和國家自然科學基金-面上項目的經費支持。

論文鍊接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202105410