昆明学院&上海交通大学, Carbon Energy：具有原位氧功能化的自激活集成碳基空气阴极，用于耐用且高性能的金属-空气电池

第一作者：卞福宁

通讯作者：胡素娟a*，程俊芳b*，张鸿飞a*

单位：a昆明学院，b上海交通大学

金属空气电池兼具超高理论能量密度、环境友好和轻质等优势，被视为下一代极具潜力的储能技术，其中空气阴极是决定电池能量转换效率和循环寿命的核心因素之一。传统Pt/C、RuO₂、IrO₂等贵金属催化剂虽在氧还原/氧析出反应（ORR/OER）方面表现优异，但成本高、资源有限且稳定性不足，难以满足规模化应用需求。相比之下，碳基催化剂导电性好、化学稳定且低成本，通过杂原子掺杂、氧化物复合和表面官能团调控等手段，在提升双功能催化活性方面展现出突出优势。然而，现有绝大多数空气阴极仍采用分层结构，界面接触不良、气体传输受限，导致三相界面利用不足，半电池中的优异性能难以在实际电池中完全转化。因此，在不依赖外加贵金属催化剂的前提下，实现碳基阴极的原位自活化，并通过一体化设计打通催化层、集流体与扩散层之间的传质与传导瓶颈，已成为推动金属空气电池走向实用化的关键问题。

近日，昆明学院胡素娟课题组联合上海交通大学程俊芳团队在Carbon Energy发表题为“Self‐Activating Integrated Carbon‐Based Air Cathodes With In Situ Oxygen Functionalization for Durable and High‐Performance Metal–Air Batteries”的研究论文。该研究成功构建了一种基于电化学自活化策略与一体化结构设计的高性能空气阴极。该电极通过电化学过程在碳基表面原位生成含氧官能团，实现自催化活化，无需额外加载催化剂；同时采用辊压工艺将催化层、集流体与扩散层高效集成为一体化结构，显著提升界面结合力与气体扩散性能。该阴极在无贵金属条件下表现出优异的双功能电催化活性，ORR半波电位E1/2达0.73 V，OER过电位较初始电极降低30 mV。组装后的可充式锌空气电池（RZABs）实现811 mAh g^–1的比容量，并在宽温区下保持出色稳定性，连续运行性能优异。

在辊压工艺下构筑出集催化层、集流体和扩散层于一体的集成式空气阴极。碳纤维构建起复杂连通的多孔网络，孔径分布均匀且边缘平滑，而自激活前后骨架形貌基本保持不变，具备良好的机械稳固性。通过多尺度表征证实，自激活过程一方面促进PTFE局部分解并强化碳纤维表面的石墨化程度，另一方面在碳基骨架上原位引入大量–C–OH、–C=O、–COOH 等含氧官能团，为后续电催化反应提供更为有利的界面基础。

通过原位光学显微镜与气泡扩散实验，直观比较了初始电极与自激活电极的气体传输行为，显示出一体化阴极具有显著的气体渗透与释放能力。接触角测试结果表明，含氧官能团的不断生成赋予电极“自调节”界面性质的能力，并且电极形成兼具微孔、介孔与大孔的层级孔道，有效缩短O2从空气侧到活性位点的扩散路径。

在三电极体系中，自激活策略能够同时降低ORR/OER的能垒。电化学阻抗谱拟合表明，界面电荷传输电阻降低，说明含氧官能团的引入不仅提供化学活性位点，也为电子传输开辟了更多通道，协同提升了材料的电导性与界面反应速率。综合ORR与OER的对比，自激活碳基阴极在不引入任何外加载体和贵金属催化剂的前提下，即可达到部分报道碳基/杂原子掺杂体系的综合催化水平。

基于实验与理论的交叉印证，提出：自激活过程中原位生成的含氧官能团一方面通过氢键与电荷再分布稳定反应中间体，另一方面重构碳基表面的能级结构与极性分布，使气–液–固三相界面在“化学活性–电子结构–润湿气体输运”三个层级上实现协同优化，从根本上提升了ORR/OER双功能催化的动力学与稳定性。

利用自激活一体化空气阴极，构筑了水系RZABs，在1 mA cm^-2下，稳定循环1561 h，比容量高达811 mAh g^-1。进一步地，组装了“三明治”结构的准固态锌空气电池，在–25–60 ℃的宽温区均表现出良好适应性，且长时间运行后阴极表面与截面仍保持完整无分层和开裂，展现出优异的结构稳定性与抗环境冲击能力。

Self‐Activating Integrated Carbon‐Based Air Cathodes With In Situ Oxygen Functionalization for Durable and High‐Performance Metal–Air Batteries

胡素娟教授简介：教授/硕导，昆明学院化学化工学院副院长，云南省金属有机分子材料与器件重点实验室副主任，云南省“兴滇英才支持计划”青年人才，云南省科技专家。科研方向为硅/锗/锌/锡基空气电池和燃料电池等。近五年，主持国家自然科学基金面上、青年和地区项目3项，省部级项目6项，获云南省自然科学三等奖1项，以第一/通讯作者在Adv. Funct. Mater.、Energy Stor. Mater.、Coordin. Chem. Rev.、Carbon Energy、Chem. Eng. J.、Chin. Chem. Lett.等高水平中科院一区期刊上发表论文40余篇，编著书籍1部，授权国家发明专利2件，担任中科院一区《Rare Metals》期刊杰出青年编委。获校本科一流课程立项1门，指导本科生和研究生获国家级/省级科研项目立项共计10项，指导本科生和研究生竞赛获一等奖等共计5项。

程俊芳副教授简介：2012年获得华中科技大学材料学学士学位，2017年获得华中科技大学材料科学博士学位，于2017.6-2021.3在日本九州大学担任博士后研究员，随后2021.4-2021.11在早稻田大学担任讲师，并于2021年12月加入上海交通大学巴黎卓越工程师学院担任副教授，获得上海市海外高层次人才称号，主持上海市自然科学基金面上项目和上海交通大学十四五规划科研启动项目，作为第一指导教师指导学生分别获得2024和2025大学生创新创业大赛主赛道国际赛区金奖。研究领域主要为燃料电池/电解水制氢催化剂、催化材料的多尺度调控、金属空气电池和新型解耦水分解制氢系统研究等，在相关领域以第一/通讯作者发表SCI论文20余篇，获多项国际专利。

张鸿飞简介：昆明学院硕士生导师，中国科学院大学理学博士,化学化工学院高分子材料二级学科方向负责人，院级功能高分子材料创新团队负责人，云南省塑料薄膜工程技术研究中心核心成员。近年来，主持国家自然科学基金1项，省部级科研项目2项，云南省教育厅项目3项，指导云南省大学生创新创业省级项目1项。作为主要研究人员参与国家自然科学基金项目2项，国家863前沿技术项目课题1项。在ACS Applied Materials & Interfaces, Polymers等期刊发表SCI论文7篇，申请国家发明专利4项，授权2项。主要研究领域：高性能工程塑料、气凝胶功能复合材料、高分子材料3D打印技术。

卞福宁，昆明学院化学化工学院2024级硕士研究生，研究方向为空气电池的性能与应用。