【顶刊】Adv.Sci. 双功能CuCo2S4@N‐CNFs催化剂，助力柔性锌空电池

锌空气电池(ZABs)的理论能量密度为1370 Wh kg⁻¹，非常有希望代替现有的锂离子电池。然而，锌空电池空气阴极的反应动力学常常受到析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)的限制，真正走向应用被阻碍。

当务之急，除了开发出同时具备优异OER和ORR性能的双功能催化剂以外，最好还能够兼具柔性。

目前柔性锌空电池性能不如人意的原因，来自于三个方面：

i）在固态电解质中，缓慢的离子/电子传输动力学导致低催化活性；

ii)聚吡咯、聚酰亚胺等聚合物添加剂的使用，虽然可以提高电极柔性，但降低了整个器件的能量密度。

iii)活性催化剂与碳材料的接触不牢固，容易发生脱落。

有鉴于此，苏州大学晏成林教授联合新加坡国立大学John Wang教授，以及浙江农林大学陈浩教授一起，共同设计出一种新型双功能催化剂，该催化剂可使锌空电池获得896 mA h g⁻¹的容量。

CuCo₂S₄NSs@N‐CNFs材料的制备分为静电纺丝和碳化两步，拉伸强度为330 MPa。CuCo@PAN/PVP纳米纤维的直径大约为180–200 nm，即便在400 °C的碳化/氧化温度下，纤维形貌也能得到很好的保持。

在HRTEM中，0.235 nm和0.285 nm晶格间距分别对应着CuCo₂S₄立方相的(004)和(113)晶面。

ORR测试：CuCo₂S₄ NSs@N‐CNFs电极的起始电位为0.957 V，半波电位为0.821 V，0.2 V的极限电流密度为5.94 mA cm⁻²。

OER测试：在10 mA cm⁻²电流密度下，CuCo₂S₄NSs@N‐CNFs电极的过电位为315 mV，塔菲尔斜率为48mV dec⁻¹。

同步辐射表征可以证明N‐CNFs核和CuCo₂S₄ NSs壳之间存在界面相互作用；在EXAFS图中，1.82 Å处的峰为Co-S键，1.58 Å处的峰为Co-O键。

CuCo₂S₄NSs@N‐CNFs基锌空电池的开路电压为1.46 V，可以稳定保持20 h，功率密度为232 mW cm⁻²；在电流密度为25 mA cm⁻²时，容量为896 mA h g_Zn⁻¹，对应的能量密度为965.2 Wh kg⁻¹。

将电池从0°到180°弯曲时，电池极化曲线几乎没有变化；即便弯曲折叠10000次，电池容量仍为原先的93.62%。

该工作以“CuCo₂S₄ Nanosheets@N‐Doped Carbon Nanofibersby Sulfurization at Room Temperature as Bifunctional Electrocatalysts inFlexible Quasi‐Solid‐State Zn–Air Batteries” 为标题于2019年7月6日发表在国际顶刊Adv. Sci.上。

CuCo₂S₄Nanosheets@N‐Doped Carbon Nanofibers by Sulfurization at Room Temperature asBifunctional Electrocatalysts in Flexible Quasi‐Solid‐State Zn–Air Batteries. (Adv.Sci., 2019，DOI: 10.1002/advs.201900628)

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.20190062