锌-空气电池（ZABs）作为一种很有前途的储能技术，具有能量密度高、锌储量丰富、成本低、安全性高等优点。然而，阴极处缓慢的氧还原反应（ORR）动力学仍然限制了其整体性能。

近期，辽宁科技大学陈星星教授、窦金孝副教授和香港中文大学（深圳）李怀光等制备了一种具有优异ORR活性和耐久性的自支撑N掺杂Co/Zn碳纳米纤维膜（Co/Zn@NCF）。基于Co/Zn@NCF催化剂的液态ZABs的循环寿命超过666 h，充电/放电电压差为0.64 V，电压效率为66%。制备的柔性固态ZAB可在不同弯曲角度下稳定充放电。引人注目的是，本工作还开发了温控扫描电化学显微镜（SECM）来探测亚微米尺度上的膜状Co/Zn@NCF的局部活性和选择性。本研究为开发用于能量转换装置的自支撑催化剂提供了一种有效途径，并为分析催化剂在不同工作温度下的运行情况提供了技术手段。

图1.（a）Co/Zn@NCF的制备。（b,c）Co/Zn@NCF的SEM图像。（d-e）Co/Zn@NCF的TEM图像，（f）Co、Zn和N元素的相应元素映射，（g）Co/Zn@NCF的HRTEM图像，含Co（111）晶格条纹的纳米颗粒嵌入在无定形碳载体中。

图2.Co/Zn@NCF的光谱表征。

图3.NCF、Zn@NCF、Co/Zn@NCF、Pt/C和IrO2的电化学性能。

图4.（a）Co/Zn@NCF的甲醇耐受性试验，（b）Co/Zn@NCF在O₂饱和的0.1M KOH中以0.1V/s的扫描速率进行2000个CV循环前后的ORR LSV曲线，电位区间为0.6至1V。（c）Co/Zn@NCF在O2饱和的0.1M KOH中以0.1V/s的扫描速率进行2000个CV循环前后的OER LSV曲线，电位区间为1.5至1.7V。

图5.归一化SECM图像显示（a）Co/Zn@NCF和NCF在不同Es（0.87、0.77和0.67V vs.RHE）下的局部ORR活性和（b）在ORR过程中的局部H₂O₂产生，以及在Y=1200μm下的代表性线扫描的比较（右曲线）。归一化SECM图像显示（c）Co/Zn@NCF和NCF在不同工作温度（15、25和40℃）下的局部ORR活性和（d）相应的H₂O₂产生。

图6.归一化SECM图像显示（a）局部OER活性和（b）不同工作温度（15、25和40℃）下的局部OER活性。用于检测OER活性的SG-TC模式SECM，Es保持在1.62V（vs.RHE）。

图7.（a）使用Co/Zn@NCF作为阴极，Zn板作为阳极的液态ZAB器件的示意图。LED设备由三个串联的ZABs点亮。（b）构建的液态ZAB在10mA/cm2的放电速率下的放电曲线（插图：开路电压）。（c）液态ZAB的极化和功率密度曲线。（d）液态ZAB在5至50mA/cm²范围内的不同电流密度下的放电曲线。（e）液态ZAB在j=5mA/cm²时的充电和放电曲线（插图是放大的放电和充电曲线）。（f）使用Co/Zn@NCF作为阴极、Zn板作为阳极、（PANa）-KOH-ZnCl₂水凝胶为固体电解质的扣式固态ZAB的示意图。（g）扣式固态ZAB的极化和功率密度曲线。（h）柔性可弯曲固态ZAB在j=5mA/cm2时的充电和放电曲线（插图：弯曲或未弯曲的ZAB）。

该工作以“Self-standing electrospun Co/Zn@N-doped carbon nanofiber electrode for highly stable liquid and solid-state rechargeable zinc-air batteries and performance evaluated by scanning electrochemical microscopy at various temperatures”为题发表在《Chemical Engineering Journal》（DOI:10.1016/j.cej.2023.147022）上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147022