近日，实验室胡勇教授课题组在锌-空气电池空气电极材料构筑方面取得重要进展。相关成果以题为“Engineering Self-Supported Hydrophobic–Aerophilic Air Cathode with CoS/Fe3S4 Nanoparticles Embedded in S, N Co-Doped Carbon Plate Arrays for Long-Life Rechargeable Zn–Air Batteries”的研究论文发表在国际能源类顶级期刊Advanced Energy Materials上。

可充电锌空气电因其理论能量密度大、价格低廉、环保、安全性高等特点，是一种理想的化学储能体系。空气阴极上缓慢的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）是限制锌空电池性能的主要瓶颈所在。具有高ORR/OER催化活性的双功能电催化剂材料的开发受到了广泛关注。针对空气阴极整体电极结构的理性设计，从界面角度改善反应动力学以提高电池性能的关注度严重不足。空气阴极中的电化学反应主要发生于多相界面，即空气、电解液与催化剂/集流体形成的三相界面处。为了最大限度地提高传质效率并完全暴露于活性催化位点，使用界面工程手段来调节空气电极的疏水性并增加反应界面是十分必要的。目前使用疏水聚合物或蜡质烷醇的方法可显着降低电极比表面积而牺牲其活性，过度使用这些疏水材料甚至可能阻断活性催化位点或使电极完全疏水。可以通过开发适当的表面修饰方法来调控电极周围的微环境如疏水性、导电性等是一种较为理想的方法，但目前缺乏相关机理的研究。

鉴于此，胡勇教授课题组设计了一种疏水-亲氧策略来调控空气阴极的反应动力学，促进锌空电池性能的提升。并以该理念设计制备了一种CoS/Fe3S4纳米颗粒封装在S，N双掺杂碳板阵列中的自支撑空气阴极（CoS/Fe3S4@SNCP）。研究发现，双金属硫化物纳米颗粒在碳板阵列上的原位生长提高了空气阴极的内在电催化活性和电子传导。同时，分子动力学模拟、有限元法结合原位电化学测试发现，在空气阴极引入硫化铁作为疏水相形成疏水-亲氧表面，可以有效增加水层与表面活性位点之间的距离，从而形成疏水微环境，扩大电化学反应的三相界面边界。丰富的三相反应界面可以保证电催化活性位点充分暴露在电解液中，加速反应分子/离子在界面上的扩散，从而显著提高电催化效率。所制备的CoS/Fe3S4@SNCP电极表现出优异的OER和ORR活性，远高于商用Pt/C材料。同时，基于该空气电极组装的锌空电池表现出272 mW cm-2的高功率密度，0.75 V的窄放电/充电间隙（在10 mA cm-2时），并展示出1400 h的长循环稳定性。这项工作为调控空气阴极界面反应动力学提供了一种新型方法，也为开发下一代先进的金属空气电池电极材料提供了一定的指导意义。

该课题组自2020年来在锌空电池领域取得了一系列研究进展，相关成果发表在Adv. Energy Mater.、Nano Energy、Appl. Catal. B: Environ、Carbon Energy、Chem. Eng. J、Small、J. Power Sources等材料、化学领域国际重要期刊上。