山东大学徐立强教授，ACS Nano：正极/原位凝胶电解质集成构建高效柔性锌-空气电池

近日，来自山东大学的徐立强教授团队，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Coupling Optimized Fe‑N CoordinationStructure-Dominant Cathode with In SituHydrogel Electrolytes toward a HighlyEfficient Flexible Zn−Air Battery”的研究性论文。在这项工作中，研究团队针对具有高ORR活性的Fe单原子在OER过程中*OOH/*O吸附能垒过高而导致双功能催化活性不足的问题，通过Fe₂N的协同增强和配位环境调控，以优化Fe-4N的对称配位结构，构建了Fe₂N（三角锥形Fe-3N配位结构）/富含吡啶N配位的Fe单原子异质结构材料（Fe₂N/PR-Fe SA）。在双重优化设计下，Fe₂N和吡啶FeN4通过界面电子相互作用调控Fe的3d电子构型，以优化OER过程中的*OOH/*O吸附行为，同时加速了ORR过程中的*OH中间体的脱附，进而展现了仅为0.63 V的ORR/OER双功能电压差值。此外，进一步通过在Zn负极表面原位构筑生长PAM水凝胶电解质，有效抑制了尖端效应，提高了Zn的电化学循环可逆性。结合Fe₂N/PR-Fe SA及原位凝胶电解质所构建的柔性锌-空气电池展现了较高的输出功率密度、优异的循环稳定性、较窄的充/放电压极化间隙以及优越的机械柔韧性。

在正极侧， 针对具有高ORR活性的Fe单原子在OER过程中*OOH/*O吸附能垒过高而导致双功能催化活性不足的问题，通过Fe₂N协同组分的引入以及单原子化学配位环境的调控，以优化Fe-4N的对称配位结构，构建了Fe₂N（三角锥形Fe-3N配位结构）/富含吡啶N配位的Fe单原子异质结构材料（Fe₂N/PR-Fe SA）。通过光谱表征、电化学测试及理论计算分析表明，Fe₂N和吡啶型FeN₄通过界面电子相互作用调控Fe的3d电子构型，以优化OER过程中的*OOH/*O吸附行为，同时加速了ORR过程中的*OH中间体的脱附，进而展现了仅为0.63 V的ORR/OER双功能电压差值。因此，以该材料为正极构筑的液态锌-空气电池展现出201.9 mW cm^-2的高功率密度、优异的倍率性能及1100 h的长循环稳定性，同时充/放电过程中的原位拉曼表明FeN4活性位点上含氧中间体吸附行为具有可逆动态演变的特性。

在负极侧，利用金属锌的还原特性，诱导负极/电解质界面的自由基聚合反应，实现了凝胶聚合物电解质的原位合成。该策略有效改善了电极/电解质界面的物理接触与化学相容性。原位构筑所得的凝胶电解质与锌负极之间形成了紧密、无间隙的接触界面。这种紧密的界面接触在分子尺度存在相互作用的直接证据来源于拉曼光谱分析。具体而言，与凝胶表面区域的拉曼特征峰相比，界面处凝胶的C=O和C-N特征峰表现出明显的蓝移。这一现象明确指示了凝胶聚合物中的C=O和C-N官能团与锌金属之间发生了显著的化学相互作用。在剥离后的锌表面，X射线光电子能谱（XPS）分析清晰地检测到了Zn-N和Zn-O特征信号的出现。这一结果确凿地证实了界面处形成了Zn-N或Zn-O配位键，表明锌负极与凝胶电解质之间建立了稳固的化学键合界面。这种界面结构可以构建贫水环境，抑制析氢反应，同时消除尖端效应，诱导均匀成核，进而展现出良好的沉积/剥离循环可逆性。

基于上述两种材料构筑的准固态柔性锌-空气电池，其展现出157.3 mW cm^-2的高功率密度、优异的循环稳定性（在2 mA cm^-2的电流密度下循环193 h）及较低的充/放电压极化间隙（在10 mA cm^-2的电流密度下为0.81 V）。进一步验证显示，即使在在弯曲状态下仍能以恒定且较小的充/放电压间隙平稳运行，且极端滥用测试（切割状态）下无热失控现象，凸显其安全性与柔性适配能力，充分证明该策略在可穿戴能源存储系统中的应用潜力。

课题组常年招收博士后；同时在宁夏大学化学化工学院组建新团队，热烈欢迎感兴趣的博士毕业生/博士后应聘。