近日，材料与能源学院绿色能源材料团队蔡欣副教授/方岳平教授等人在多功能集成电极及其柔性可穿戴锌-空气电池领域取得新进展。通过设计构建0D/2D/3D异质结构的双相纳米合金薄膜用于催化析氢/析氧/氧还原反应，利用多尺度界面电子协同效应显著促进了氧化还原动力学，实现了高性能的柔性锌-空气电池及其自驱动电解水系统。该研究成果以Research Article形式在国际知名学术期刊Advanced Functional Materials（中科院一区Top，影响因子19.0）上发表。
电解水、燃料电池和金属-空气电池等电催化能源技术是缓解当前全球能源紧缺的技术热点。然而，这些装置的能量效率极大受限于活性电极上缓慢的析氢反应（HER）/析氧反应（OER）/氧还原反应（ORR）动力学的限制。能够同时加速OER、ORR和HER的多功能催化剂有望大幅减少催化剂用量并简化功能电极的结构设计，在提高能量利用效率、拓宽器件的一体化集成与便携智能应用等方面富有发展前景。迄今，如何高效整合多种活性组分改善三相（气-液-固）界面的电催化反应动力学依然是一大难题。
为此，本研究从系统的异质界面工程策略出发，优化构建了嵌埋双相纳米合金的氮掺杂碳纳米片阵列多功能薄膜（CoFe-NiFe/NC）。利用CoFe-NiFe/NC的高导电性、三维多孔开放结构、丰富的活性位点以及强耦合的界面效应等优点，协同加速了催化剂表面的电子传递和质量传输，显著提升了HER（η10，66 mV）、OER（η10，185 mV）、ORR（E1/2，814 mV）催化活性。结合实验和理论计算分析揭示了CoFe-NiFe/NC优异的HER/OER/ORR三功能催化活性主要受益于Ni、Fe辅助的Co位点与相邻氮掺杂碳基体之间的电子协同作用，以此调制优化活性位点与关键中间体的适中结合，加快氧化还原反应动力学。因此，基于CoFe-NiFe/NC空气阴极的液态/固态柔性锌-空气电池实现了高比能量密度、可观的峰值功率以及优异的循环稳定性。此外，相应的碱性水电解槽仅需1.51 V即可达到10 mA cm-2。采用CoFe-NiFe/NC作为唯一的活性电极，成功制备了柔性固态锌-空气电池驱动的电解水系统，实现了高产氢速率。这种独特的异质结构薄膜为开发高效多功能催化剂和先进的能源利用提供了新策略。
图1 不同催化电极的电化学性能HER的LSV极化曲线(a)和相应的Tafel图(b)；
(c)恒电流计时电位曲线；OER的LSV极化曲线(d)和相应的Tafel图(e)；(f,g) CoFe-NiFe/NC在OER中的原位电化学拉曼光谱。(h)ORR的LSV极化曲线；(i)OER和ORR稳定性。
图2 不同催化剂的DFT构型：(a)Fe-Co3O4；(b)Co/NC；(c)NC；(d)CoFe-NiFe/NC；
DFT计算所得不同催化剂在HER(e)、OER(f)和ORR(g)中的自由能图。(h)OH*、O*和OOH*中间体吸附在CoFe-NiFe/NC表面的优化构型及OER/ORR过程的催化路径。
图3 柔性固态锌-空气电池（FZAB）的电化学性能结构示意图(a)、放电极化曲线和功率密度(b)、放电容量(c)、
恒流充放电曲线(d)、倍率性能(e)、串联或并联电池的恒流充放电曲线(f)、不同弯曲角度下的电池充放电曲线(g)、FZABs用于点亮LED显示板以及为智能手机充电(h-j)。
图4 (a)水电解槽的极化曲线，插图显示了在CoFe-NiFe/NC阴极与阳极表面分别产生氢气和氧气；(b)不同催化剂的水分解电压对比；
(c)不同水电解槽在20 mA cm-2下的工作电压稳定性；(d)CoFe-NiFe/NC水电解槽在不同电流下的工作稳定性；(e)自驱动电解水装置的产气量与实物图。
论文第一作者为材料与能源学院2022届硕士研究生杨许欢，通讯作者为材料与能源学院蔡欣副教授。该研究工作得到了材料与能源学院刘柏平教授、东南大学叶琼教授的大力支持，以及广东省自然科学基金（2023A1515030131、2022A1515010476）、广西自然科学基金-粤桂联合基金（2021GXNSFDA075012）和国家自然科学基金（22078118）等项目的资助。
相关论文信息：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202402933
文图/材料与能源学院 高琼芝
