煤炭是三大传统能源之一，在燃烧发电过程中排放大量氮氧化物、硫氧化物等有害气体造成严重环境污染。鉴于此，探索更清洁、更高效的煤炭利用方式是实现“碳达峰、碳中和”战略目标的重要举措。本论文将传统煤炭资源高附加值转化为绿色电化学能量转换系统中的电极材料，具有重要的现实意义。
近日，辽宁科技大学陈星星教授，窦金孝副教授团队与新疆大学王鲁香教授团队合作在国际知名期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上，发表了最新研究成果“Coal-based carbon nanosheets contained carbon microfibers modified with grown carbon nanotubes as efficient air electrode material for rechargeable zinc-air batteries”。第一作者为硕士研究生张腾。该项研究开发了一种基于煤基碳纳米片的碳纳米管改性碳微米纤维复合膜电极（CNS/CMF@CNT），并将其成功用于锌-空气电池（ZAB）的构筑。
利用静电纺丝法制备可用于ZAB的CNS/CMF@CNT的工艺过程如图1所示。首先利用脱灰褐煤制备煤基碳纳米片（CNS），之后将CNS和过渡金属Fe或Co盐均匀混合在PAN/DMF溶液中，通过喷涂纺丝和碳化工艺最终制备CNS/CMF@CNT。碳化过程中，过渡金属Fe或Co为直接催化碳纳米管（CNT）生长的催化剂，并在后续氧还原反应（ORR）过程中起到电催化作用。
图1：用于可充电ZAB的CNS/CMF@CNT制备示意图。
静电纺丝纤维复合膜材料中的各个组分（CNS、CMF、CNT）纵横交错构筑导电性良好的三维多孔结构（图2），为快速传质提供良好路径。所制备的膜材料在三电极体系碱性溶液中展示了优异的ORR性能（图3）。参与催化CNT生长并被封装在CNT中的热还原金属Fe或Co可以视为“装甲催化剂”，促进ORR反应发生；而裸露在材料表面的多余金属会在自然环境中氧化形成CoO或Fe2O3，有利于氧分子的吸附和活化，从而增强ORR性能；来自煤和三聚氰胺的N和S杂原子会同时促进Fe-N/S-C或Co-N/S-C活性位点形成，催化ORR过程。通过表面增强拉曼光谱原位分析技术进一步证实了CNS/CMF@CNT催化ORR的速率决定步骤是*OH中间体的解吸（图4）。
图2：(a~b) CNS/CMF@CNT(Co)和 (c~d) CNS/CMF@CNT(Fe)的SEM图。
图3：CNS/CMF@CNT(Co)和CNS/CMF@CNT(Fe)在三电极体系碱性溶液中的电催化ORR性能。
图4：(a, b)电催化ORR的原位拉曼示意图，(c)在不同电位下的拉曼光谱。
由CNS/CMF@CNT(Fe)构建的水系ZAB在电流密度为5 mA cm-2的条件下，经过2000次稳定循环（约333小时）后，显示出了216.0 mW cm-2的峰值功率密度和0.65 V的微小电压差（图5）。所制造全固态ZAB，在150次循环后开路电压为1.43 V、峰值功率密度为70.1 mW cm-2、电压效率为66.5%（图6）。
图5：水系锌-空气电池的电化学性能
图6：固态锌-空气电池的电化学性能
该项工作不仅介绍了一种可用于ZAB制造的具有优异电催化ORR性能的自支撑膜电极方法，还提出了低阶褐煤高附加值应用于绿色新能源应用的理念，有利促进了传统能源和可再生能源的协同互补发展，为更可持续的能源未来提供了新途径。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.05.191
通讯作者简介
陈星星，辽宁科技大学教授、博士生导师，自然科学博士，辽宁省“百千万人才工程”入选者，鞍山市科技界领军人物。本科和硕士分别毕业于湖南大学和丹麦技术大学，并在德国波鸿鲁尔大学获得博士学位，之后在德国从事研究工作。2014年归国，加入辽宁科技大学。主持多项国家级和省级科研项目，发表SCI论文70余篇，持有7项国家发明专利，多次获得辽宁省自然科学学术成果奖。研究领域涵盖新功能材料设计、高附加值煤基炭材料开发，及其在电化学能源转换存储系统中的应用，以及扫描电化学显微镜的深入研究。
窦金孝，辽宁科技大学副教授、硕士生导师，工学博士，辽宁省“百千万人才工程”入选者。专业领域涵盖清洁能源资源化利用、碳催化材料制备及工艺、煤转化过程中的污染物控制。主持和参与多项国家级和省部级科研项目，以及企业科技攻关项目，获得多项省级自然科学奖项。发表论文50余篇，拥有10项发明专利，并在多个学术期刊和专业委员会担任编委和委员职务，积极推动化工领域的学术交流和技术进步。
王鲁香，新疆大学化学学院研究员，博士生导师。主要从事煤基碳材料及其复合材料的制备、改性和应用等方面的研究工作。先后主持科技部重点研发专项子课题、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金地区项目、新疆维吾尔自治区重点研发专项、新疆维吾尔自治区杰出青年基金等省部级以上科研项目20余项。在Energy Storage Mater., Appl. Catal. B-Environ., J. Mater. Chem. A., Small, Carbon, ACS Appl. Mater. Interfaces等学术期刊上发表论文50余篇。
第一作者简介
张腾，辽宁科技大学硕士研究生。主要研究方向为高附加值煤基碳材料的制备及在电催化氧反应中的应用研究。
卢振杰（共一），辽宁科技大学硕士毕业生，目前在南京理工大学攻读博士学位。主要研究方向为金属空气电池、超级电容器等电化学储能系统中的电极制备及性能研究。
