碳纤维构建催化/疏水层一体的空气电极在锌-空电池中的应用

Owing to the advantages of high theoretical energy density, stability, no-pollution and low-cost, zinc-air battery is becoming the important research area in developing green energy, which shows great potential in portable electronic equipment, electric vehicle and energy storage. However, some issues in the preparation of air electrodes involving the study of high-performance electrocatalysts, the design of special electrode structures and the aging failure of binders, seriously restrict the development of zinc-air batteries. Aiming at this situation, this project innovatively propose to integrate the rare earth CeO2 superhydrophobic layer and the perovskite LaNi1-xFexO3 catalytic layer into a whole based on electrospinning and heat treatment technology to construct a self-standing binder-free air electrode. To obtain a high-performance and long-life air electrode, the properties of superhydrophobic layer and catalytic layer are optimized by adjusting the size and loading of CeO2 and the ORR/OER performance of LaNi1-xFexO3. Meanwhile, the theoretical calculation is carried out to study the effect of Fe/Ni on ORR/OER performance of the catalytic layer. This project has great practical and scientific significance for solving the current problems in preparation of binder-free air electrode, improving the charge and discharge performance and cycle stability of zinc-air battery, and promoting the development of metal-air battery.

锌-空电池具有理论能量密度高、性能稳定、无污染和经济性强等特点，在便携电子设备、电动汽车以及能源存储领域具有广泛的应用前景，是未来清洁能源的重点发展方向。然而空气电极的制备涉及高性能电催化剂的研究、特殊电极结构的设计以及高分子粘结剂的老化失效等问题，严重制约了锌-空电池的发展。针对这一状况，本项目创新性地拟采用静电纺丝和热处理技术将稀土CeO2超疏水层和钙钛矿LaNi1-xFexO3催化层一体成型，构建自支撑的无粘结剂空气电极。通过对CeO2的尺寸和负载量以及对LaNi1-xFexO3的ORR/OER性能进行调控，优化超疏水层和催化层的性能，获得高性能和长寿命的空气电极；同时，开展理论计算探索Fe/Ni对催化层ORR/OER性能的影响。该研究项目对解决当前无粘结剂空气电极制备难题，提高锌-空电池的充放电性能和循环稳定性以及促进金属-空气电池的发展具有重要的实践意义和科学意义。

发展新型绿色能源转换和储存技术是解决当前能源危机和环境问题的有效方法，为推动全球能源格局从化石燃料转向可再生能源提供了广阔的前景。然而，无论是新型绿色能源转换技术（如电解水）还是能源储存技术（如金属-空气电池、离子电池），都很大程度上依赖于高效性能的电极材料。针对电极材料的设计，本项目通过自旋极化诱导、多活性位点构筑、界面调控等方法设计和开发高性能电极材料，获得的主要成果有：（1）利用原子级分散钴诱导单原子铂自旋极化，优化对中间体的吸附能，降低氧还原反应（ORR）决速步骤的反应能垒，增强了PtCo-NC双单原子催化剂的ORR催化活性。（2）构建氮掺杂碳负载Pt和Pt/MoC双位点ORR催化剂，归功于双位点的协同作用，Pt-MoC@NC展现出优异的ORR性能。（3）通过水热-氮化-电沉积工艺在泡沫镍上构建构筑CoN/Ni(OH)2异质结双功能电催化剂（NF/CNNH）。得益于CoN(111)极性晶面以及CoN与Ni(OH)2的协同作用，NF/CNNH展现出优异的析氢和尿素氧化性能。（4）采用简便经济的超声处理法成功地在三维泡沫钴镍载体上原位生长多孔钴/镍复合氢氧化物（UTCNF）。应用于水系锌电池时，该锌基电池表现出优异的倍率性能和超高的容量。（5）采用空间限域策略合成了超薄碳纳米片上负载硒化钴纳米片(CoSe2-CNS)。CoSe2与碳纳米片之间的强界面相互作用使CoSe2-CNS具有快速的电子/钠离子输运动力学和良好的结构稳定性，从而提供了优越的倍率性能和优良的循环稳定性。（6）综述了通过多组分异质结的设计和调控，平衡催化剂对反应中间体的吸附与脱附的能力，从而增强催化剂的催化性能。本项目所有成果为接下来设计多功能空气电极构建光辅助混合锌-空气电池提供了丰富的理论基础和实践经验。