锌空气电池（ZAB）作为一种很有前景的储能技术，表现出能量密度高、锌储量丰富、成本低、安全性高等巨大优势。然而，正极缓慢的氧还原反应（ORR）动力学限制了它们的整体性能。

近日，辽宁科技大学陈星星教授，窦金孝副教授与香港中文大学(深圳)李怀光助理教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“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”的文章，该工作的第一作者为在读博士生潘浩然和硕士毕业生张晨（共一）。作者利用静电纺丝技术制备了具有柔性多孔结构的自支撑氧电极 (Co/Zn@NCF)，并将其成功应用于金属空气电池的构筑。 

图1：Co/Zn@NCF纳米纤维膜的制备过程和形貌组成结构。

通过调节ZIF-8纳米颗粒的直径使其包裹在碳纳米纤维内部，不但可以为反应物提供更良好传质环境，还可以捕获ZIF-67释放出的Co2+，改善纺丝溶液可纺性。多样化活性位点(Co-N-C，Co/Zn-N-C, Co/Co3O4)的形成提高了电催化氧反应的活性。所制备的Co/Zn@NCF膜电极表现出了媲美商业Pt/C的氧还原（ORR）活性以及商业IrO2的氧析出（OER）性能。

图2：可控温扫描电化学显微镜结构示意图。

在催化领域，线性扫描法与旋转环盘电极（RRDE）或旋转圆盘电极（RDE）联用技术是作为评估各类催化剂宏观性能的主要手段，存在明显的局限性。它需要将催化剂样品研磨成粉末进行测试，从而忽略了催化剂结构对性能的关键影响。为了更精确地了解催化剂的性能，尤其是在非室温条件下催化剂的工作状态，本文采用了一种先进的原位电化学分析方法——可控温的SECM技术。这项技术在亚微米尺度上无损伤地对Co/Zn@NCF薄膜在不同工作温度下的ORR和OER性能进行了系统研究。这是首次报道利用SECM原位探究自支撑膜电极的活性，并研究温度对其性能的影响。

SECM图像在不同位置的色差，直观地反映了样品的微区电化学性质的变化。这个特性使得SECM相较于传统的线性扫描法与RRDE/RDE联用技术具有显著的优势，因为它能够提供更多的局部信息，更精准地揭示催化剂的微区性能。研究结果表明，适当的提高温度可以提升催化剂的活性与选择性。该研究通过采用先进的温控SECM技术，成功地在微观尺度上无损伤地探究了温度对膜催化剂性能的影响，弥补了传统RRDE/RDE测试方法的不足，为未来膜电极的设计和优化提供了新的技术分析手段和研究思路。

图3：(a-b)不同电压和(c-d)不同温度下膜电极的微区ORR活性与选择性。

　　图4：(a)不同电压和(b)不同温度下膜电极的微区OER活性.

图5：可充电液态和固态ZAB的电化学性能。

使用Co/Zn@NCF制备的液态ZAB具有良好的稳定性，循环666 h后，充放电电压差为0.64V，电压效率为66%。 组装的柔性全固态ZAB即使被弯曲到90°也保持稳定的充/放电性能。

本研究的结果展示了Co/Zn@NCF作为独立自支撑电极在锌空气电池和柔性电子器件中的广阔应用前景，同时为膜电极在不同操作温度下的无损伤电化学性能表征提供了一种可行的原位分析技术。

在未来，我们期待看到更多基于SECM技术的研究，进一步推动能源存储和转换领域的发展，实现更高效、更环保的能源利用。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723057534

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-百人层次，鞍山市杰出科技工作者、鞍山市领军人才。本科和硕士分别毕业于湖南大学和丹麦技术大学，曾在德国柏林国家联邦环保总局水分析实验室工作， 2008年7月获德国波鸿鲁尔大学自然科学博士学位，并继续留在德国波鸿鲁尔大学从事研究工作。2014年底回到家乡鞍山的辽宁科技大学任教。在德留学和工作期间，曾任留德华人化学化工学会副主席，北威州分会主席，现为留德华人化学化工学会荣誉理事。主持在研或结题国家自然科学基金、辽宁省教育厅、辽宁省人社厅等项目；发表SCI科研论文70余篇，获批7项国家发明专利；荣获4次辽宁省自然科学学术成果奖（一等奖2次）；指导学生参加各类国家A类和省级赛事并荣获辽宁省“优秀指导教师”称号2次，指导的研究生获国家奖学金4人次，辽宁省优秀硕士论文1人次，辽宁省优秀毕业生1人次。研究兴趣为新功能材料和高附加值煤基炭材料的设计和在电化学能源转换存储系统(金属空气电池、超级电容器，全水解系统等）中的应用，以及扫描电化学显微镜的基础和应用研究。

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”万人层次。主要从事煤和生物质清洁利用、煤转化过程中污染物控制、新型催化材料及工艺研究、固废资源化利用等。主持国家、省部级项目5项，企业科技攻关项目3项，教育部产学合作协同育人项目1项。获省级自然科学奖三等奖1项，省级自然科学成果二等奖1项。以第一作者或通讯作者在国内外期刊发表论文50余篇；申请和授权发明专利9项。辽宁省化工学会煤化工专业委员会委员、石油化工高等学校学报青年编委、低碳化学与化工青年编委。

李怀光，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授，博士毕业于德国波鸿鲁尔大学，曾先后在波鸿鲁尔大学（RESOLV Fellow），剑桥大学开展博士后研究工作。相关成果以第一作者/通讯作者身份发表在Chem, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc. Chem. Eng. J.等期刊。2023年作为高校团队负责人获得获深圳市海外高层次团队项目支持。主要致力于燃料电池，酶促反应和二氧化碳吸附等交叉领域研究。目前担任《Tungsten》海外青年编委。

第一作者简介：

潘浩然，博士研究生。主要研究方向为氧反应电催化材料制备、应用，以及高分辨率扫描电化学显微镜的学习和研究工作。

张晨（共一），硕士研究生。主要研究方向为应用于固、液态锌空气电池的自支撑催化剂制备及性能研究。