多孔柔性碳纳米纤维催化剂，用于可充电液体和柔性Zn-Air电池

1成果简介

探索柔性、多孔、高效和稳定的阴极电催化剂对于开发ZAB至关重要。本文，兰州交通大学Linwei Zhang等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“A Flexible Porous Electrospun Carbon Nanofiber Cathode Catalyst for Rechargeable Liquid and Flexible Zn-Air Batteries”的论文，研究通过电纺丝成功构建了一种有效的多孔柔性碳纳米纤维催化剂（Fe-ZCNF）。该催化剂以 PAN 为纺丝基底材料，并加入庚胺以形成主要活性位点，同时采用 NaCl 熔盐辅助 ZIF-8 模板策略形成连通的孔隙结构。Fe-ZCNF 具有相互连接的分层多孔结构，比表面积高达1035.5m2 g-1。与商用Pt/C（20 wt%）相比，Fe-ZCNF ORR的 E1/2=0.88V vs. RHE正向移动了20mV，稳定性显著提高。此外，Fe-ZCNF还可用作FZAB的空气阴极，在不同的弯曲条件下表现出高比容量和良好的循环稳定性。这项研究为柔性催化剂的设计提供了宝贵的见解，有望推动柔性电子器件的发展。

2图文导读

方案一. Preparation Process of Fe-ZCNF.

图1. (a) SEM image, (b) high-resolution SEM image, (c, d) corresponding HAADF image and elemental mapping, (e) TEM image, (f, g) HRTEM images of Fe-ZCNF.

图2. (a) N2 adsorption-desorption isotherms, (b) pore size distribution curves, (c) XRD patterns, (d) Raman spectra, (e) XPS survey spectra and (f) N 1s XPS spectra.

图3. (a) Comparative CV analysis of the catalysts in O2-saturated electrolyte, (b) LSV curves in O2-saturated electrolyte at 1600 rpm, (c) Tafel plots, (d) LSV curves of Fe-ZCNF at different rotation speeds, inset: the K-L plot, (e) H2O2 yields andnvalues of catalysts, (f) EIS curves with fitted equivalent circuit, (g) LSV curves initially and after 15,000 potential cycles, (h) chronoamperometric (i-t) response at 1600 rpm over 50,000 s, and (i) LSV curves in 1 M KOH solution for OER.

图4. (a) Schematic illustration of the Liquid ZABs, (b) OCV curves, (inset: open circuit voltage and light-emitting tungsten lamp powered by two ZABs connected in series), (c) specific capacity curves at current densities of 10 mA cm-2 and 20 mA cm-2, (d) discharge polarization and corresponding power density curves, and (e) galvanostatic charge-discharge voltage cycling curve at 10 mA cm-2.

图5. (a) Schematic illustration of the FZAB with Fe-ZCNF as the air cathode, (b) OCV curve (inset: open circuit voltage and light-emitting tungsten lamp powered by two FZABs connected in series), (c) discharge polarization and corresponding power density curves, (d) specific capacity curve at current density of 5 mA cm-2, and (e) galvanostatic charge-discharge voltage cycling curve at 2 mA cm-2 under different bending angles.

3小结

总之，这项研究报告了一种方便、合理和可扩展的策略，用于制造灵活、催化剂性能高的多孔碳纳米纤维基催化剂，这种催化剂可用作 ZAB 和 FZAB 的阴极催化剂。相互连接的分层多孔结构有利于电催化过程中的传质，再加上大量可访问的高活性位点（Fe3C和Fe-Nx），使得制备的Fe-ZCNF在ORR（E1/2=0.88Vvs. RHE）中表现出优异的电催化性能，在OER（过电势为 400 mV）中表现出可接受的催化能力。Fe-ZCNF 还具有疏水性和良好的导电性，有利于组装电池中的空气传导和电子转移。因此，用 Fe-ZCNF 组装的 ZAB的OCV为1.59 V，功率密度为179.2mW cm-2，在 600 次循环后仍能保持稳定的充放电性能，明显优于用商用 Pt/C+RuO2 组装的 ZAB。同时，由于制备的催化剂具有良好的柔韧性，使用 Fe-ZCNF 也组装出了 FZABs。使用 Fe-ZCNF 组装的 FZAB 的 OCV 为 1.51 V，功率密度为136.0mW cm-2，在各种弯曲角度下都能保持稳定的充放电性能。此外，用Fe-ZCNF作为自支撑材料组装的 FZAB 也表现出良好的性能。因此，这项研究为ZABs（尤其是 FZABs）的发展带来了巨大的潜力，有望推动柔性器件的未来发展。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120372

来源：材料分析与应用