1T′–2H WS2结构相变驱动的热电性能增强及其在锌空气电池中的应用研究

为解决锌空气电池(ZABs)电极界面接触问题，研究人员开发了原位生长铂(Pt)催化剂的聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)碳纸自支撑阴极。该结构将传统三相反应界面扩展至全3D互连空气电极，实现了催化层与气体扩散层的高效整合。改性后的PBO CO2@A-N表面均匀分布的Pt纳米颗粒展现出卓越氧还原反应(ORR)性能：电化学表面积达200.2 m2 gPt?1，半波电位0.891 V。组装的锌空气电池峰值功率密度达128.1 mW cm?2（水系）和59.1 mW cm?2（柔性），为高性能储能设备开发提供新思路。

　　

在全球环境恶化与化石能源危机的背景下，风能、太阳能等可再生能源虽快速发展，却因间歇性、波动性及储能技术瓶颈面临"弃光弃风"困境。锌空气电池(ZABs)因其高能量密度、低成本和环境友好特性，被视为下一代电网存储和便携式电子设备的理想电源。然而传统ZABs电极受限于二维(2D)碳布涂层工艺，催化层与气体扩散层分离导致三相反应界面狭窄，大量催化剂成为远离界面的"死区"。

华南理工大学的研究团队创新性地采用聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)碳纸为基底，通过CO₂热处理-酸氧化两步活化及氮掺杂改性，构建了具有3D互连结构的自支撑空气电极。该研究通过原位生长铂纳米颗粒(Pt NPs)技术，将传统三相反应界面扩展至整个电极立体空间，相关成果发表在《Materials Today Energy》。

关键技术包括：1) PBO碳纸的CO₂活化与酸氧化处理形成介孔结构；2) 以三聚氰胺为氮源的水热-退火掺杂工艺；3) 乙二醇还原法制备2.1 nm级均匀分布的Pt NPs；4) 水系/柔性锌空气电池的组装与性能测试。

【结果与讨论】
结构表征显示，改性后的PBO CO₂@A-N纤维表面形成丰富介孔，为Pt NPs提供理想成核位点。透射电镜证实Pt NPs平均粒径2.1 nm，X射线光电子能谱检测到有利于ORR的吡啶氮物种。电化学测试显示该材料具有200.2 m² g_Pt^?1的电化学表面积(ECSA)和67 mV dec^?1的塔菲尔斜率，半波电位达0.891 V，显著优于商业Pt/C催化剂。

在电池性能方面，组装的PBO CO₂@A-N-ZAB展现出128.1 mW cm^?2（水系）和59.1 mW cm^?2（柔性）的峰值功率密度，锌比容量分别达749.3和642.2 mAh g_Zn^?1。实际应用测试中，该电池可驱动红色LED发光，验证了其工程化潜力。

该研究通过创新性的"基底活化-催化剂集成"策略，突破了传统ZABs电极结构限制。PBO碳纸的独特晶体结构在碳化过程中形成芳香杂环重构，无需粘结剂即具备优异机械性能；氮掺杂不仅增强导电性，更通过形成吡啶氮物种提升ORR活性。这种将催化层与扩散层一体化的设计，为发展高性能柔性储能设备提供了新范式，对推进可再生能源存储技术具有重要实践意义。