柔性自支撑、耐高温薄膜空气电极的构建及其双功能催化机制研究

A zinc air battery can, in theory, store as much energy as 1218 W h kg −1, up to four or five times more than present, day lithium-ion ones can store. Rechargeable Zn-air batteries have received intensive research because of their potential for electric cars in recent years. This project proposes the construction of the N, P double-doped graphene fiber films (d-GFF) as a flexible self-supporting and high temperature resistant air electrode. It gathers gas diffusion layer, catalyst layer and collector in the integrated making the Zn-air battery flexible, rechargeable and safety. This porous and flexible film shows high in-plane electrical conductivity and difunctional catalytic as an air electrode without any other basement and binder. It is benefit for improving power density and cycling stability when applied for metal-air batteries. The property and mechanism for difunctional catalytic of d-GFF will be systematically studied. This study will clarify the impact mechanism of Zn-air battery of flexible self-supporting. It has an important scientific significance for commercialize of rechargeable Zn air battery and developing flexible and portable electronic devices.

锌空气电池具有较高的比能量密度1218 W h kg−1，是当今已有的锂离子电池的4～5倍。可充电锌空气电池是近年来国内外的研究热点，也是理想的电动汽车动力电池体系。本项目提出构建氮、磷-双掺杂石墨烯纤维膜作为柔性自支撑、耐高温的薄膜空气电极，该空气电极薄膜集气体扩散层、催化层、集流体、耐高温等多个功能于一体，有效实现了二次锌空气电池的柔韧性和一定耐高温安全保障。拟通过湿法纺织和高温煅烧等方法获得氮、磷-双掺杂的石墨烯纤维膜。这种新型多孔膜具有良好的柔韧性能和导电性能以及双功能催化性能，可以直接作为空气电极而不需要任何基底和粘结剂。同时，本项目将系统研究氮、磷-双掺杂石墨烯纤维膜的双功能催化特性及其双催化机制，阐明柔性自支撑结构对可充电锌空气电池的影响机制。这对于推进可充电锌空气电池商业化的实现以及柔性电子设备的发展具有重要的科学意义。

锌-空气电池作为理想的电动汽车动力电池体系之一，因具有较高的比能量密度（1218 W h kg−1），成为近年来国内外的研究热点。本项目围绕氮、磷-双掺杂的石墨烯纤维膜的结构设计、调控与组装、催化性能等几个方面展开了系统的研究。研究内容主要包括氮、磷-双掺杂石墨烯纤维膜的结构调控及组装，并研究其作为电极材料在电化学催化领域的性能。通过系统研究，阐明氮、磷-双掺杂石墨烯纤维膜的双功能催化机制和柔性自支撑结构对可充电锌空气电池的影响机制，为构建新型高催化性能的非金属催化剂研究提供材料平台。.通过3年的研究，完成了氮、磷-双掺杂石墨烯纤维膜的设计与制备，并研究了这种结构在电化学过程中的催化活性。通过系统研究，实现了自支撑薄膜带电极的优化制备，开展了自支撑膜材料作为空气电极在锌空气电池的领域的研究，获得了优异的性能，为锌空气电池实际推广应用提供了关键的材料平台。在上述研究工作的基础上，积极探索了基于石墨烯的其他自支撑膜的结构组装及其新应用，为新型自支撑电催化剂的设计和优化制备提供新的材料来源。目前发表研究论文3篇，申请发明专利7项（2项已授权），国内外学术会议口头报告2次，较圆满地完成了既定研究计划和任务。