近日，我校环境科学与工程学院乔锦丽教授团队在锌空气电池领域取得新突破，相关成果以(High-performing Rechargeable/Flexible Zinc-air Batteries by Coordinated Hierarchical Bi-metallic Electrocatalyst and Heterostructure Anion Exchange Membrane. Nano Energy 65 (2019) 104021 DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104021)为题，发表于能源领域著名期刊《Nano Energy》（影响因子15.55），该论文第一作者是环境科学与工程学院徐能能博士。
能源危机与环境污染日趋严重，清洁能源备受关注。其中，锌空气电池因其拥有理想的能量密度和功率密度，并有望实现在能源转化与储存领域的广泛应用，成为下一代清洁能源的候选者。然而，锌空气电池的开发主要受限于以下两个方面：1.空气电极缓慢的反应动力学；2. 高性能固态电解质的开发。因此，如何成功解决以上两大问题是目前很多研究工作者的主要内容。
(图1 (a)催化剂合成示意图; (b) 碱性阴离子交换膜合成示意图)
课题组对此开展相关研究，在碳载Co/Mn双金属氧化物双功能催化剂以及高性能碱性阴离子交换膜的基础上，通过有效调控Co原子掺杂，成功激活了二氧化锰（110）晶面的Mn原子双功能活性；此外，小组成员通过在壳聚糖基的碱性阴离子交换膜中引入GO，成功制备出高电导率以及高机械强度的Chitosan/EMImC-Co-EP/GO阴离子交换膜，该膜表现出Hopping 和vehical传导机制。利用Chitosan/EMImC-Co-EP/GO阴离子交换膜制备出柔性锌空气电池也表现出优异的电池性能(single: 83.5 mW cm-2/stack: 202 mW cm-2)以及柔韧性。特别是，其构建的柔性锌空气电池可以耐受“CO2中毒”（CO2形成碳酸盐造成空气电极的堵塞以及电解质pH下降）和有效防止锌枝晶的形成，从而表现出优异的稳定性。
(图2 (a) CO2耐受性实验; (b)不同弯曲角度的柔性锌空气电池极化曲线与功率密度图；(c) 柔性锌空气电池抗CO2毒性测试前后的极化曲线与功率密度图)
值得一提的是，乔锦丽教授团队还以全脂肪链聚乙烯醇（PVA）为基底物，瓜尔胶羟丙基三甲基氯化铵（GG）为季铵盐，通过简单温和的溶液共混法，采用二元交联策略，制备了高性能的PVA/GG碱性阴离子交换膜（PVA/GG-OH-），极大促进了CO2电化学还原产甲酸、超级电容器以及锌空气电池的性能。特别地，以2-吡咯甲醛和戊二醛为二元交联剂所制备的膜（PGG-GP）表现出更加优异的物理化学性能。2-吡咯甲醛是一种新型有效的交联剂，其杂环结构中的N原子具有较高的电负性，能够提高与其相邻的碳原子的电子云密度，促使杂环带有较高的活性，在其带动下使得聚合物主链更加易于摆动。并且二元交联后膜内部形成了致密多孔的三维半互穿网络结构和明显的亲水疏水微相分离形态，较大尺寸的亲水离子簇均匀、连续的分布在疏水区域中。在两者协同作用下，室温下PGG-GP膜展示了较高的电导率0.123 S cm-1、优异的机械性能、热稳定性、尺寸稳定性以及较高的含水率。与商业碱性阴离子交换膜A201膜相比，以PGG-GP膜作为电解质的锌空气电池具有更高的比电容、输出功率和循环稳定性能，并且在柔性装置中也表现出稳定的电池性能，在不同弯曲角度下，放电电容几乎无任何衰减，并且仍可获得较好的输出功率密度。这些相关研究先后发表在ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 6881-6889；J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 11257-11264等国内外知名期刊，并获得多项发明专利。
（撰稿：王敏）
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104021