环境学院乔锦丽教授团队在静电纺丝构筑高性能可充锌空气 电池领域取得最新研究成果

 锌空气电池因其高理论能量密度和环境友好等优势被认为是极具应用前景的新一代储能技术。然而，空气电极缓慢的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）动力学严重制约了其应用。近日，我院乔锦丽教授团队通过静电纺技术在构建高性能可充锌空气电池领域取得重要进展，相关成果以“Scalable Electrospinning-Pyrolysis Fabrication of MOF-Derived Beaded Co/Co-N_x-C Nanofibers for High-Power and Long-Life Zn-Air Batteries”为题发表在国际材料领域著名期刊Advanced Functional Materials（影响因子19.0，http://doi.org/10.1002/adfm.202530298）上。研究团队通过“静电纺丝–热解”策略构筑了一种MOF衍生珠链状Co/N掺杂碳纳米纤维催化剂/电极，并通过调控ZIF-67负载量实现了催化活性团簇间距的精准调节。所得材料同时包含金属Co纳米颗粒和Co-N_x活性位点，在保证活性位点密度的同时优化了电子与物质传输过程，从而显著提升了双功能氧电催化性能。

 图1. a) Co/Co-Nx-C@CNF-X的合成过程示意图，b) Co/Co-Nx-C@CNF-X（X=0.5,1,1.5,2,2.5）的示意图，以及c-g) 对应的透射电子显微镜（TEM）图像， h) Co/Co-Nx-C@CNF-1.5的高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像，i) Co/Co-Nx-C@CNF-1.5的高角度暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，j) 相应的元素映射图。

 图2. a) XRD图谱和拉曼光谱，b) Co/Co-Nx-C@CNF-1.5的高分辨率N 1s XPS光谱，c) Co/Co-Nx-C@CNF-1.5的高分辨率Co 2p XPS光谱，d) ZIF-67、Co/Co-Nx-C@CNF-X（X=0.5,1,1.5,2,2.5）中吡啶氮、吡咯氮、石墨氮、Co-N及CoO的总含量，e) Co/Co-Nx-C@CNF-1.5以及钴箔、CoO和CoPc标准样品的归一化K边XANES谱图和f) FT-EXAFS谱图；g) 钴箔、h) CoPc以及i) Co/Co-Nx-C@CNF-1.5的Co K边EXAFS的WT等高线图。

 图3. a) 在N₂/O₂饱和的0.1 M KOH溶液中的循环伏安曲线，b) ORR线性扫描伏安曲线，c) Co/Co-Nx-C@CNF-1.5和Pt/C-Ir/C的塔菲尔图，d) 通过RRDE测定的ORR电子转移数(n)和H2O2产率，e) OER LSV曲线，以及f) Co/Co-Nx-C@CNF-1.5和Pt/C-Ir/C在N₂饱和的1 M KOH溶液中的塔菲尔图，g) ORR/OER双功能LSV曲线，h) Co/Co-Nx-C@CNF-1.5与其他已报道催化剂的ORR和OER对比。

 图4. a) 液态ZABs的示意图，b) 开路电压，c) 10 mA cm^-2下的比容量曲线（插图显示相应的能量密度曲线），d) 放电极化曲线及相应的功率密度图，e) 10 mA cm^-2下的充放电电压循环曲线（插图显示电压效率），以及f) 采用Co/Co-Nx-C@CNF-1.5和Pt/C-Ir/C作为阴极催化剂的ZABs的总ASR曲线，g) Co/Co-Nx-C@CNF-1.5与其他已报道催化剂的稳定性及开路电压（OCV）对比。

图5. a) 准固态ZABs的示意图，b) 放电极化曲线及相应的功率密度图，c) 2 mA cm^-2下的比容量曲线（插图显示相应的能量密度曲线），d) 总ASR曲线，以及e) 基于Co/Co-Nx-C@CNF-1.5和Pt/C-Ir/C的ZABs在2 mA cm^-2下的放电和充电电压循环曲线（插图显示电压效率）， f) Co/Co-Nx-C@CNF-1.5与其他已报道催化剂的功率密度及开路电压（OCV）对比，g) 2 mA cm^-2下不同弯曲角度下的循环稳定性曲线。

图6. a) 簇间距分别为2、6和14 Å的Co₆@Co-N₄模型，b) ORR/OER自由能图，c) *OH吸附的差分电荷密度和Bader电荷转移（蓝色：电荷耗尽；黄色：电荷积累），d) 2 Å、e) 6 Å、f) 14 Å条件下Co 3d的PDOS。

 该工作首次将“团簇间距工程（intercluster spacing engineering）”引入MOF衍生纤维电极设计中，并结合同步辐射表征和密度泛函理论（DFT）计算，揭示了适宜的团簇间距能够调控金属Co与Co-N_x活性位点之间的电子耦合作用，优化氧中间体吸附行为，从而有效促进ORR/OER反应动力学。优化后的Co/Co-Nx-C@CNF-1.5催化剂表现出优异的双功能催化活性（ΔE = 0.815 V）。特别是基于该催化剂/电极组装的液态锌空气电池实现了406.5 mW/cm²的超高功率密度，976 Wh/kg的能量密度和长达2143 h的循环寿命；其准固态柔性器件同样展现出优异的功率输出和稳定性。该研究为MOF衍生纤维电极的结构设计及高性能锌空气电池的开发提供了新的研究思路和理论依据。

本研究得到了科技部国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项（2022YFE0138900）、韩国国家研究基金会（NRF）项目（RS-2022-NR066713）、上海市扬帆计划（22YF1400700）以及上海市教育发展基金会和上海市教委晨光计划（22CGA37）等项目的支持。