憑借高理論能量密度（1086 Wh/kg）和高安全性，可充電鋅空氣板有望成為下一代儲能設(shè)備，以滿足可穿戴電子設(shè)備和植入醫(yī)療設(shè)備不斷下降的需求。 由于空氣陽極的氧還原反應(yīng)（ORR）和析氧反應(yīng)（OER）動(dòng)力學(xué)溫和，其實(shí)際應(yīng)用受到很大限制。 研究表明，貴金屬基電極催化劑在OER和ORR中表現(xiàn)出良好的活性，但其稀缺性、成本高和穩(wěn)定性差限制了其在鋅空氣電池中的大規(guī)模應(yīng)用。 因此，開發(fā)高活性、穩(wěn)定的非貴金屬電極催化劑以同時(shí)提高ORR和OER顯得極為重要。

在這項(xiàng)工作中，研究人員提出了一種新型自支撐柔性金屬有機(jī)框架（MOF）/電紡納米纖維（ENF）3D結(jié)構(gòu)作為基底，構(gòu)建用于ORR/OER催化劑和鋅空氣板的金屬基碳納米管。 MOFs，特別是富含過渡金屬的硅藻土吡啶酯骨架（ZIF）可以在碳化過程中原位催化生長，可控的微孔結(jié)構(gòu)可以為高效的電物理反應(yīng)提供傳遞通道。 據(jù)報(bào)道，由于ENFs薄膜具有較大的表面積和較高的纖維間孔隙率，因此被認(rèn)為是制備具有優(yōu)異電物理性能的柔性碳電極的理想前驅(qū)體。 這里，首先通過靜電紡絲制備PAN納米纖維，然后通過嚴(yán)格控制浸漬時(shí)間將條狀鈷基ZIF均勻分布在ENF（MOF/ENF）上，并經(jīng)過三聚氰胺輔助碳化后，得到一種奇特的鈷摻雜氮石蠟。碳納米管/微孔碳陣列（/CNF）薄膜。 這些柔性電極表現(xiàn)出顯著的ORR/OER雙功能催化活性，可逆氧過電位為0.76 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過商業(yè)貴金屬空氣電極。 用于柔性鋅空氣電池的/CNF表現(xiàn)出低過電位、-3的高功率密度、476.-1的高容量、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和良好的彎曲性能。

圖1/CNF薄膜的制備過程示意圖。

圖2(af)在不同反應(yīng)時(shí)間獲得的MOF/ENF。 (g) 相應(yīng)的纖維平均半徑和長度規(guī)格趨勢。 (h) 相應(yīng)的 XRD 圖案。

圖 3(ac) CNF 圖像。 (df) 納米片改性碳納米管和碳納米管的 TEM 圖像。 插圖 (e)：相應(yīng) CNT 的高幀率 TEM 圖像。 (gj) C、Co、N對應(yīng)元素分布圖。比例尺：(a) 10 μm，(b, c) 1 μm，(d)，(e) 10 nm，插圖：2 nm (f) 5 nm ， （G）。

圖4(a)/CNF和/CNF的N2吸附-解吸等溫線。 插圖：相應(yīng)的孔徑分布。 (b、c、e、f)/、C1s、Co2p 和 O1s 光譜。 (d)/CNF和/CNF的N濃度和Co-N濃度。

圖5(a) Pt/C的CV曲線和在N2和O2飽和0.1M KOH氨水中制備的樣品的CV曲線。 (b) 在 Pt/C 和 0.1 M KOH 氨水中制備的樣品的 ORR LSV 曲線。 (c) 所得樣品以及Pt/C電子轉(zhuǎn)移和二溴化物的豐度(%)； (d)相應(yīng)的極化圖。 (e) 0.1 M KOH 氨水中 OER 的 LSV 曲線。 (F) 相應(yīng)的 OER 極化圖。 (g) 0.1M KOH堿液條件下，不同催化劑的雙功能活性。

圖6(a)全固態(tài)柔性ZAB示意圖。 插圖顯示了全固態(tài) ZAB 的靈活性。 (b) 由四個(gè)全固態(tài)柔性 ZAB 串聯(lián)供電的 19 個(gè)紅色 LED 的照片。 （cf）自制全固態(tài)柔性ZAB在不同彎曲條件下工作的照片。 (G) 使用 Pt/C/CNF 薄膜和碳布作為柔性空氣電極的柔性全固態(tài) ZAB 的恒電流放電-充電循環(huán)曲線。 (h) 開路圖。 插圖顯示了彎曲 180° 后開路電流約為 1.302V 的電池的照片。 (i) ZAB/CNF 薄膜每 30 分鐘彎曲應(yīng)變的恒電流放電-充電循環(huán)曲線。 (j) 不同電壓密度、不同彎曲時(shí)間下的放電曲線。 (k)/CNF基固態(tài)鋅空氣電池的電流-容量曲線。 (i)/CNF基固態(tài)鋅空氣電池的放電極化曲線和功率-電壓密度曲線。 (m)最近報(bào)道的柔性鋅空氣電池的體積功率密度和容量的比較。

自支撐/CNF優(yōu)異的電池性能可歸因于以下幾點(diǎn)：（i）/CNF的雙功能催化活性可以增強(qiáng)ORR/OER； (ii)無粘結(jié)劑的電極結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升了所制備的催化劑的性能； （iii）分層微孔結(jié)構(gòu)允許反應(yīng)物和電解質(zhì)在所制備的空氣電極中快速傳輸，（iv）碳納米管和互連碳纖維的良好導(dǎo)電性為電子傳輸和良好的柔性結(jié)構(gòu)提供了“高速通道”。 事實(shí)上，具有分級微孔結(jié)構(gòu)、豐富的反應(yīng)位點(diǎn)和無粘合劑柔性結(jié)構(gòu)的/CNF薄膜是ORR/OER最高效的碳基雙功能電催化劑之一，可用于許多能量轉(zhuǎn)換和存儲。 系統(tǒng)，例如柔性金屬空氣電池、燃料電池和可穿戴電子產(chǎn)品。

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