近日，華南農業大學材料與能源學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-空氣電池領域取得新進展。他們通過設計構建0D/2D/3D異質結構的雙相納米合金薄膜用于催化析氫/析氧/氧還原反應，利用多尺度界面電子協同效應顯著促進了氧化還原動力學，實現了高性能的柔性鋅-空氣電池及其自驅動電解水系統。相關成果以Research Article形式發表于《先進功能材料》。
電解水、燃料電池和金屬-空氣電池等電催化能源技術是緩解當前全球能源緊缺的技術熱點。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（HER）/析氧反應（OER）/氧還原反應（ORR）動力學的限制。能夠同時加速OER、ORR和HER的多功能催化劑有望大幅減少催化劑用量并簡化功能電極的結構設計，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用等方面富有發展前景。迄今，如何高效整合多種活性組分改善三相（氣-液-固）界面的電催化反應動力學依然是一大難題。
為此，該研究從系統的異質界面工程策略出發，優化構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的高導電性、三維多孔開放結構、豐富的活性位點以及強耦合的界面效應等優點，協同加速了催化劑表面的電子傳遞和質量傳輸，顯著提升了HER（η10，66 mV）、OER（η10，185 mV）、ORR（E1/2，814 mV）催化活性。結合實驗和理論計算分析揭示了CoFe-NiFe/NC優異的HER/OER/ORR三功能催化活性主要受益于Ni、Fe輔助的Co位點與相鄰氮摻雜碳基體之間的電子協同作用，以此調制優化活性位點與關鍵中間體的適中結合，加快氧化還原反應動力學。
因此，基于CoFe-NiFe/NC空氣陰極的液態/固態柔性鋅-空氣電池實現了高比能量密度、可觀的峰值功率以及優異的循環穩定性。此外，相應的堿性水電解槽僅需1.51 V即可達到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鋅-空氣電池驅動的電解水系統，實現了高產氫速率。這種獨特的異質結構薄膜為開發高效多功能催化劑和先進的能源利用提供了新策略。
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.202402933
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