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近日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院副教授蔡欣和教授方岳平等人在多功能集成電極及其柔性可穿戴鋅-空氣電池領(lǐng)域取得新進(jìn)展。他們通過設(shè)計(jì)構(gòu)建0D/2D/3D異質(zhì)結(jié)構(gòu)的雙相納米合金薄膜用于催化析氫/析氧/氧還原反應(yīng)，利用多尺度界面電子協(xié)同效應(yīng)顯著促進(jìn)了氧化還原動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了高性能的柔性鋅-空氣電池及其自驅(qū)動(dòng)電解水系統(tǒng)。相關(guān)成果以Research Article形式發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》。Ejn即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

電解水、燃料電池和金屬-空氣電池等電催化能源技術(shù)是緩解當(dāng)前全球能源緊缺的技術(shù)熱點(diǎn)。然而，這些裝置的能量效率極大受限于活性電極上緩慢的析氫反應(yīng)（HER）/析氧反應(yīng)（OER）/氧還原反應(yīng)（ORR）動(dòng)力學(xué)的限制。能夠同時(shí)加速OER、ORR和HER的多功能催化劑有望大幅減少催化劑用量并簡(jiǎn)化功能電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在提高能量利用效率、拓寬器件的一體化集成與便攜智能應(yīng)用等方面富有發(fā)展前景。迄今，如何高效整合多種活性組分改善三相（氣-液-固）界面的電催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)依然是一大難題。Ejn即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

為此，該研究從系統(tǒng)的異質(zhì)界面工程策略出發(fā)，優(yōu)化構(gòu)建了嵌埋雙相納米合金的氮摻雜碳納米片陣列多功能薄膜（CoFe-NiFe/NC）。利用CoFe-NiFe/NC的高導(dǎo)電性、三維多孔開放結(jié)構(gòu)、豐富的活性位點(diǎn)以及強(qiáng)耦合的界面效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，協(xié)同加速了催化劑表面的電子傳遞和質(zhì)量傳輸，顯著提升了HER（η10，66 mV）、OER（η10，185 mV）、ORR（E1/2，814 mV）催化活性。結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算分析揭示了CoFe-NiFe/NC優(yōu)異的HER/OER/ORR三功能催化活性主要受益于Ni、Fe輔助的Co位點(diǎn)與相鄰氮摻雜碳基體之間的電子協(xié)同作用，以此調(diào)制優(yōu)化活性位點(diǎn)與關(guān)鍵中間體的適中結(jié)合，加快氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。Ejn即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

因此，基于CoFe-NiFe/NC空氣陰極的液態(tài)/固態(tài)柔性鋅-空氣電池實(shí)現(xiàn)了高比能量密度、可觀的峰值功率以及優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，相應(yīng)的堿性水電解槽僅需1.51 V即可達(dá)到10 mA cm^-2。采用CoFe-NiFe/NC作為唯一的活性電極，成功制備了柔性固態(tài)鋅-空氣電池驅(qū)動(dòng)的電解水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)氫速率。這種獨(dú)特的異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜為開發(fā)高效多功能催化劑和先進(jìn)的能源利用提供了新策略。Ejn即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.202402933Ejn即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com