近日，理学院物理系蒋仲庆教授团队在《Advanced Functional Materials》发表题为“Plasma-Assisted Formation of Oxygen Defective NiCoO/NiCoN Heterostructure with Improved ORR/OER Activities for Highly Durable All-Solid-State Zinc-Air Batteries” 的文章。(Adv. Funct. Mater. 2023, 2302883. https://doi.org/10.1002/adfm.202302883)。该工作得到了国家自然科学基金面上项目和省自然科学基金杰出青年基金项目支持。

1. Advanced Functional Materials 介绍

        Advanced Functional Materials是材料科学国际顶级期刊，以发表材料科学各个方面的突破性研究为主，包括纳米技术、物理学、化学和生物学。期刊以其快速公平的同行评审、优质内容和高影响力而著称，使其成为国际材料科学界的首选。Advanced Functional Materials 的 2022 年影响因子为 19.924，JCR分区Q1。

2. 研究背景

        随着可穿戴和植入式电子技术的迅速发展，人们对耐久性好、能量密度高的可穿戴能源提出了更高的要求。可充电锌空气电池（ZABs）具有1086 Wh kg^-1的高理论比能量密度，是下一代可持续储能的理想选择。此外，可穿戴ZABs由于其灵活性和可裁剪性，能够满足可穿戴和植入式电子产品日益增长的安全耐用能源需求。当前，探索成本低廉、且具有双功能的空气电极催化剂，对推动可逆锌-空气电池的发展至关重要。低温等离子体是一种通过外加能量（电场、微波、射频电磁波等）使气体处于一种非热平衡激发态的物质状态，低温等离子体的电离率较低，电子的温度远高于离子温度，等离子体宏观温度与室温相当。低温等离子体中存在大量的活性粒子，这些粒子的种类繁多，活性很强，易与其所接触的表面发生反应。由于低温等离子体的这些特点，使得等离子体技术在锌空电池双功能催化剂材料的改性和辅助合成中具有独特的优势。

3.工作介绍

文章采用等离子体方法合成了碳布支撑碳纤维和富氧缺陷NiCoO/NiCoN异质纳米线共集成杂化催化剂(P-NCO/NCN-CF@CC)，该催化剂具有碳集成、阳离子掺杂、缺陷/空位引入和异质结构等先进特性。P-NCO/NCN呈现出外围由NCO组成，内部由NCO和NCN共同组成的奇妙结构。它的形成主要依赖于等离子体放电过程中形成的高能物质NH、Hα和Hβ的高反应性。P-NCO/NCN-CF@CC的氧还原反应(ORR)活性与Pt/C相当，氧析出反应(OER)活性高于RuO₂。当用于全固态锌-空气电池时，它提供了109.8 mW cm^-2的最高功率密度，并且在>300次循环中没有观察到性能下降如图1所示。DFT计算表明，NCO/NCN的异质结构和氧缺陷对催化剂的高ORR/OER活性起重要作用。它们可以调节催化剂的电子结构，降低速率决定步骤的能垒如图2所示。

图1 P-NCO/NCN-CF@CC在全固态锌空电池中的应用:a) 开路电压， (b) 放电极化/功率密度曲线，c)充电/放电曲线，d) 全固态锌空电池的恒流放电/充电循环曲线; e) 不同折叠角度下的放电/充电循环曲线。

        图2 a） NCO_def/NCN的俯视图和侧视图。ORR和OER的活性位点在NCO_def/NCN的顶视图中标记为红色，而NCO_def-NCN的侧视图显示了电荷密度差。b）ORR和c）OER的自由能图。d） NCO_def/NCN上ORR/OER过程示意图；e） NCO_def/NCN和NCO的电子态密度