相互交联氧化钴/碳纳米管复合气凝胶用于柔性可充锌空气电池

近年来锌空气电池备受关注,许多国内外研究人员致力于研究锌空气电池的氧还原(ORR)/氧析出(OER)催化剂材料。研究发现,具有独特性质的碳纳米管(CNT)经过异元素掺杂后,其氧还原(ORR)催化性能得到极大提升。其中,氮掺杂的碳纳米管(N-CNT)性能较为突出。为了实现锌空气电池的可充性,N-CNT通常与过渡金属氧化物复合形成双功能氧催化剂。但是,碳纳米管与氧化物之间的相互作用非常微弱从而无法构筑良好的导电网络,因此通常需要在这类粉体催化剂中加入导电剂粘结剂等;另外,粉体催化剂需负载在传统的气体扩散电极上而无法应用在柔性可穿戴的锌空气电池中。

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近期,中科院苏州纳米所李清文研究团队在浮动催化化学气相沉积法规模化制备三维高柔性、高弹性碳纳米管气凝胶上取得突破性进展。在此基础上,研究团队将具有交联网络、高导电性能的碳纳米管气凝胶进行了电化学活化处理,该过程一方面为后续水热生长Co3O4增加了附着位点,另一方面也使得CNT缺陷增多从而与氮源水热反应后得到N-CNT,最终制备得到了Co3O4纳米颗粒修饰N-CNT交联网络的一体化复合气凝胶,此三维结构的气凝胶展现出柔性、自支撑和高导电性能。同时,Co3O4/N-CNT复合气凝胶表现出优异的双功能催化性能,其ORR催化性能(开始电位:0.9 V vs. RHE;极限扩散电流密度:5.3 mA cm-2 )与商业Pt/C催化剂(开始电位:0.94 V vs. RHE;极限扩散电流密度:5.3 mA cm-2)接近,同时也具有优异的OER性能(开始电位:1.4 V vs. RHE;电流密度为10 mA cm-2 时E=1.7 V vs. RHE),该复合凝胶可直接作为空气电极应用于可充锌空气电池中。基于此无添加任何粘结剂和导电剂的复合气凝胶作为空气电极组装得到全固态柔性锌空气电池,其表现出低电阻、低过电位和稳定充放循环的优异性能,并且柔性空气电池在折叠的情况下仍旧能够维持稳定的电化学性能。

该研究通过构筑相互交联的导电网络制备得到了一种柔性、一体化、双功能的复合气凝胶空气电极,对于柔性空气电极的结构设计、制备与应用有着重要的启示作用。相关研究工作已经发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201700518)上。