柔性电子产品以其灵活性、可折叠性和潜在的可穿戴性等突出优势，逐渐应用于消费品、医疗、汽车、航空航天等诸多行业。发展与之匹配的柔性能源存储与转换设备是实现“柔性电子”设备实际应用的关键。二次锌空气电池以其良好的环境实用性、安全性和高的理论能量密度，被认为是便携式电子产品，尤其是柔性电子产品中颇具前途的储能器件。但由于受正极氧反应（ORR/OER）反应动力学滞缓及高过电位的制约，极大阻碍了二次锌空气电池的发展与应用。发展具有优异双功能（ORR/OER）的柔性空气电极是最重要的途径，而目前催化剂以贵金属为主体，如：Pt/C, Ir/C等，由于高成本及较短的催化寿命等，无法实现实际应用。因此，构建基于非贵金属催化剂的柔性空气电极是目前研究的重点。

普鲁士蓝类似物（PBAs）是一类重要的OER非贵金属催化剂，其具有独特结构的钙钛矿型材料，其分子式一般A_xM[Fe(CN)₆]_y.mH2O (y<1, 0<x<2)，其中M为过渡金属，A为碱金属。许多研究人员分析了PBAs的微观结构/催化机理，以期进一步调控结构，提高其OER催化活性。在诸多的调控方法中，控制缺陷化学是调节材料催化活性的一种简单且有效的策略。空位是最常见且易于调节的缺陷，它不仅可以调节电荷浓度和表面电负性，还可以保持材料的晶体结构，从而提高催化活性和稳定性。此外，由于PBAs的ORR催化活性较差，难以作为双功能催化材料。为此，构建复合催化剂是制备PBAs基双功能空气电极的最有效策略之一。杂原子掺杂的碳材料具有独特的微观结构，可以作为PBAs生长的载体，并显示出高效的ORR活性，是最好的复合材料之一。但是，如何将PBAs与杂原子掺杂的碳材料有效结合成柔性自支撑空气电极，同时通过操纵缺陷化学进一步提高其催化性能，仍是一个巨大的挑战。

博士研究生赖成龙通过3D空间耦合CN空位修饰的NiFe-PBA与N掺杂碳纤维网络，构建出柔性自支撑空气电极 (N₂-NiFe-PBA/NCF/CC-60)。扎根于碳布的N掺杂碳纳米纤维具有三维网络结构，不仅为NiFe-PBA的生长提供了较大的比表面积，而且表现出高效、充足的ORR反应位点。N₂等离子体活化原位生成的CN空位大大提高了NiFe-PBA的OER本征催化活性，抑制了OER过程中Fe元素的损失，从而保证了OER催化性能的高效稳定。CN空位修饰的NiFe-PBA与N掺杂碳纳米纤维的三维空间结合不仅保证了大的催化活性面积和优异的导电性，提供了高效且充足的ORR/OER活性位点，同时避免了粘合剂的副作用。因此，N₂-NiFe-PBA/NCF/CC-60电极表现出高效的双功能催化活性和优异的耐用性。此外，基于N₂-NiFe-PBA/NCF/CC-60的锌空气电池具有155.0 mW cm^-2的高功率密度，并进行了2000次充放电循环，表现出优异的循环稳定性。相应的柔性锌空气电池表现出良好的机械性能，在1.0 mA cm^-2电流密度下功率密度为71 mW cm^-2。此外，两个基于N₂-NiFe-PBA/NCF/CC-60的锌空气电池可以稳定地驱动水分解装置6小时。

该研究应用缺陷化学和原位耦合策略，为基于非贵金属与碳基材料构建柔性自支撑空气电极开辟了道路，将有效推动柔性锌空气电池的进一步发展与应用。相关论文发表在Advanced Science上，并在当期 Inside Front Cover 中展示。

发表时间：2022.2.22

文章链接

3D spatial combination of CN vacancy-mediated NiFe-PBA with N-doped carbon nanofibers network toward free-standing bifunctional electrode for Zn-air batteries driven water splitting

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202105925