青岛大学董森杰、袁丁副教授等研究人员受自然界中藤叶须结构的启发，提出了一种三维（3D）分层双功能催化剂（称为 Co-Fe-Zn@N-CNT/CNF），该催化剂由嵌入大量 CoFe合金纳米颗粒的N掺杂碳纳米管、叶状N掺杂碳纳米片和多孔碳纤维组成，可用于可充电 ZAB。

       特殊的仿生物结构提供了较大的比表面积，使活性位点高度暴露，确保了快速的质量传输/电荷转移。CoFe 双金属合金与掺杂 N 的碳纳米管的紧密结合提供了很高的电催化活性，而各种活性位点（如金属纳米颗粒 (NP)、金属-Nx、掺杂 N 物种）的共存及其协同作用赋予了催化剂更多的活性位点。因此，Co-Fe-Zn@N-CNT/CNF 催化剂在碱性介质中实现了卓越的 ORR（半波电位为 0.84 V）和 OER（10 mAcm-2时的过电位为 326 mV）双功能催化活性，可与商用 Pt/C 和RuO2 相媲美。

       以Co-Fe-Zn@N-CNT/CNF 催化剂作为空气电极组装的水态和固态ZAB均表现出优异的充电/放电性能、高峰值功率密度和长期循环稳定性。另外，柔性ZAB即使在弯曲条件下也表现良好，显示出令人满意的器件稳定性和机械柔韧性。这项研究提出了一种利用高效双功能氧电催化剂的新型集体形态-组成-结构工程策略，对于高性能可充电ZAB和可穿戴储能设备具有重要意义。

       相关研究成果以“Architecting N-doped Carbon Nanotube-Rich Carbon Nanofibers with Biomimetic Vine-Leaf-Whisker Structure as Robust Bifunctional Electrocatalysts for Rechargeable Zn–Air Batteries”为题发表于《Inorg Chem》。

图文导读

图1.(a)Co-Fe-Zn@N-CNT/CNF制备工艺示意图。(b,c) PANM、(d,e) CoFeZn-MOF@PANM 和 (f,g) Co-Fe–Zn@N-CNT/CNF 的 SEM 图像。

图2. (a) Co-Fe-Zn@N-CNT/CNF 的 TEM 图像、(b) HRTEM 图像、(c) 元素图和 (d) XRD 光谱。(e) Co-Fe-Zn@N-CNT/CNF 样品的N2吸附/解吸等温线和 (f) 孔径分布图。

图3. (a)相关样品的拉曼光谱。Co-Fe-Zn@N-CNT/CNF 样品的高分辨率 (b) N 1s、(c) Co 2p和(d) Fe2pXPS 光谱。

图4. 0.1M KOH溶液中ORR和OER的电催化性能

图5（a） Co–Fe–的XRD图谱Zn@N-CNT/酸处理后的CNF。（b） Co–Fe–的ORR和（c）OER催化活性Zn@N-CNT/CNF受酸浸和SCN中毒的影响。（d） 说明Co–Fe–的催化机理的示意图Zn@N-CNT/CNF催化剂朝向ORR和OER。

图6. 以 Co-Fe-Zn@N-CNT/CNF或Pt/C+RuO2作为空气阴极组装的水性可充电 ZAB 的性能测试。

图7. Co-Fe-Zn@N-CNT/CNF 和Pt/C+RuO2 构建的柔性固态 ZAB 的性能测量

小结

      研究人员开发了一种简单且可扩展的方法，用于制造具有仿生物藤叶须结构的富含 N 掺杂碳纳米管的碳纳米纤维，作为可充电水态/固态 ZAB 的强效双功能电催化剂。Co-Fe-Zn@N-CNT/CNF 催化剂得益于多个完全暴露的高密度活性位点之间的协同作用、充足的有效活性表面积、高效的质量传输以及电化学反应过程中的高电导率，在 ORR 和 OER 过程中均表现出卓越的电催化活性和高稳定性。
当使用 Co-Fe-Zn@N-CNT/CNF 催化剂作为空气阴极时，水性 ZAB 的峰值功率密度高达 157 mWcm-2，比容量高达 759 mA h gZn-1，具有良好的速率性能和超过 160 h 的长期循环稳定性。更重要的是，基于Co-Fe-Zn@N-CNT/CNF的柔性ZAB还具有令人满意的峰值功率密度、良好的充放电可逆性、较长的循环寿命、优异的柔韧性和可折叠的机械性能，揭示了其在可穿戴设备中的巨大应用潜力。