褶皱石墨烯纳米卷轴纤维封装CoCrFe，用于坚固的Zn-Air电池

摘要：为可充电锌空气电池（ZABs）开发双功能电催化剂的主要挑战是其结构不稳定和电化学性能较差。为了解决这些问题，本文，北京化工大学Dapeng Cao等研究人员《Advanced Fiber Materials》期刊发表名为“Wrinkled Graphene N

1成果简介

为可充电锌空气电池（ZABs）开发双功能电催化剂的主要挑战是其结构不稳定和电化学性能较差。为了解决这些问题，本文，北京化工大学Dapeng Cao等研究人员《Advanced Fiber Materials》期刊发表名为“Wrinkled Graphene Nanoscroll-Fibers as a Support Platform to Encapsulate the CrFe-Codoped Cobalt Nanoparticles for Robust Zn–Air Batteries”的论文，研究提出了将ZIF衍生的铬掺杂钴纳米颗粒（NPs）锚定到起皱的石墨烯纳米卷纤维（WGNF）中的策略，从而合成了CoCrFe@WGNF作为 ZABs 的双功能催化剂。

CoCrFe@WGNF催化剂在碱性介质中表现出良好的氧进化和还原性能，所制备的ZAB在5mA-cm-2 下的循环稳定性高达1140小时，优于基于 CoCrFe（340 小时）和 Pt/C + RuO2（220 小时）的ZAB。同时，以 PAM 水凝胶为电解质的组装固态 ZAB 在室温和 -40 ºC 下均表现出卓越的循环耐久性和高功率密度。优异的稳定性源于石墨烯纳米卷纤维独特的皱褶结构和铬铁合金掺杂。具有丰富褶皱和管状通道的石墨烯纳米卷纤维可作为锚定 NPs 的平台，避免 NPs 的聚集和溶解，而铬和铁的共掺杂可优化 Co 的电子结构，从而提高 ZABs 在宽温度范围内的性能。总之，我们认为WGNF可被视为封装NPs以进行其他目标反应的绝佳支撑平台。

2图文导读

图1.Schematic of CoCrFe@WGNF formation pathway

图2、Morphology and structure characterization of samples. a SEM image of CoCrFe-ZIF@GFM. morphologies and structure of CoCrFe@WGNF: b, c SEM, d, e TEM, f SAED map, g HRTEM, h EDS mapping of C, N, Co, Cr, Fe

图3.Structural characterization. a XRD pattern. b N2 adsorption–desorption isotherm curve. c High-resolution N 1 s spectra. d High-resolution Co 2p spectra. e High-resolution Cr 2p spectra. f High-resolution Fe 2p spectra

图4.Electrochemical properties. a LSV curves of OER in 1 mol·L−1 KOH, b current density at an overpotential of 400 mV, c corresponding Tafel curves, d Nyquist plots, e chronopotentiometry curve at a current density of 10 mA·cm−2. f LSV curves for ORR in 0.1 M KOH, g corresponding Tafel curves, h long-term stability test

图5、Electrochemical performances of rechargeable ZABs. a Rechargeable liquids ZAB schematic. b discharge polarization curve and power density diagram. c Charge and discharge polarization curve. d Constant current charge–discharge cycle curve. e discharge polarization curve and power density in flexible ZAB. f Charge–discharge curves of flexible ZAB at different bending angles. g Constant current charge–discharge cycle curve of flexible ZAB. h discharge polarization curves and power density plots at − 40 °C. i Discharge curve at a constant current density of 2 mA·cm−2 at − 40 °C. j Charge–discharge cycling curves of a flexible ZAB at − 40 °C

图6、Relationship between performance and structure. a Comparison of power density and stability of the present work with recently reported work. Morphology and structure of CoCrFe@WGNF after cycling: b, c TEM, d HRTEM. e Schematic representation of nanoparticle agglomeration behavior on wrinkle-free/wrinkled graphene fibers。

3小结

综上所述，我们提出了一种有用的策略，即使用具有独特结构的 WGNF 作为支撑平台来封装共掺杂 CrFe 的 Co NPs，并通过电纺丝和原位生长成功合成了 CoCrFe@WGNF 双功能催化剂。当使用 WGNF 作为支撑平台时，所有基于 WGNF 复合催化剂的 ZAB 均表现出超过 800 h 的长期稳定性。特别是，以 CoCrFe@WGNF 作为空气电极的 ZAB 不仅峰值功率密度高（219.4 mW-cm-2），而且在 5 mA-cm-2 下的超长循环寿命可达 1140 h。此外，组装好的柔性 ZAB 在变形和 -40 °C 超低温条件下都具有良好的循环稳定性和相当的功率密度。结论是，WGNF 是一种极佳的支撑平台，其皱褶结构和较小的厚度可以保护 NPs 免受聚集和氧化，WGNF 中独特的通道可以促进传质和活性位点的暴露，而铬和铁的引入可以有效提高 CoCrFe@WGNF 的 ORR 和 OER 活性。总之，这项工作提供了一种有用的策略，即利用WGNF作为支撑平台来封装金属 NPs，从而开发出高效、稳健的氧电催化剂。

文献:https://doi.org/10.1007/s42765-025-00538-5