纖維素是自然界中廣泛分布、含量豐富的天然高分子材料，在制漿造紙產(chǎn)業(yè)中作為重要的材料，其應(yīng)用領(lǐng)域不僅僅用于生產(chǎn)紙張、功能紙, 也可以開發(fā)納米纖維素及其深度應(yīng)用。近年來，來源于纖維素的納米纖維素作為一種可再生及環(huán)境友好的納米材料受到了眾多科研人員的關(guān)注，不僅擁有纖維素的基本特征，還具備了納米材料的典型的特征，如質(zhì)輕、較高的表面活性、比表面積大、楊氏模量高、吸附能力強(qiáng)和反應(yīng)活性高等，賦予了納米纖維素獨(dú)特的光學(xué)性能、流變性能和機(jī)械性能，在制漿造紙中具有廣闊的應(yīng)用前景，如紙漿的增強(qiáng)、細(xì)小纖維和填料的助留等，同時(shí)還可應(yīng)用于納米醫(yī)藥、包裝材料、食品工業(yè)和建材等領(lǐng)域。
當(dāng)前，柔性可壓縮的多孔輕質(zhì)材料具有可調(diào)的三維層級(jí)結(jié)構(gòu)、高孔隙率和孔體積、高比表面積等優(yōu)勢(shì)，作為新型的體相電極材料開發(fā)柔性儲(chǔ)能器件具有重要的研究意義和創(chuàng)新性發(fā)展。相較于常規(guī)的自組裝方法（如水熱、硬/軟模板）制備的多孔碳結(jié)構(gòu)可控性差或材料力學(xué)性能無法滿足柔性可壓縮的需求，制備過程繁瑣，以及制備條件苛刻的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，由木材中制備的納米纖維素具有長徑比大、機(jī)械強(qiáng)度高、易于自組裝等特性，我們利用納米纖維素的柔性和高長徑比結(jié)合冷凍澆鑄導(dǎo)向生長策略，發(fā)揮納米纖維素物理結(jié)構(gòu)性能調(diào)控優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于設(shè)計(jì)先進(jìn)的柔性儲(chǔ)能材料中。
成果簡介
目前，華南理工大學(xué)彭新文教授團(tuán)隊(duì)展示了一種納米纖維素導(dǎo)向制備鐵基碳?xì)饽z的簡便制造策略，利用納米纖維素助力制備體相自支撐式柔性空氣電極材料，通過定向冷凍澆鑄-退火處理合成具有原位生長的含F(xiàn)e化合物的3D蜂窩狀納米結(jié)構(gòu)。將此電極材料應(yīng)用于自支撐式柔性鋅空電池和流動(dòng)鋅空電池表現(xiàn)出了優(yōu)異的ORR / OER電催化活性、循環(huán)穩(wěn)定性和高能量效率。該成果近日以“An Iron-Decorated Carbon Aerogel for Rechargeable Flow?and Flexible Zn–Air Batteries”?發(fā)表在了Adv. Mater.?2020, 2002292。
圖文導(dǎo)讀
圖1?FeP/Fe2O3@NPCA碳氣凝膠的合成示意圖和結(jié)構(gòu)表征
（a）?FeP/Fe2O3負(fù)載N,P-摻雜多孔碳?xì)饽z示意圖。
（b）?碳氣凝膠壓縮示意。
（c-f）碳化前氣凝膠c)?數(shù)碼照片和d)?側(cè)視SEM圖像。碳化后碳?xì)饽ze)?數(shù)碼照片和f)?頂視SEM圖像.
圖2?FeP/Fe2O3@NPCA碳?xì)饽z的物相和結(jié)構(gòu)表征。
（a）?不同分辨率的TEM圖像。
（b）?HR-TEM圖像顯示了FeP和Fe2O3納米顆粒的存。
（c） XRD圖譜。
（d） HAADF-STEM圖像和對(duì)應(yīng)的元素分布圖。
（e-g）e) Fe L-edge, f) C K-edge 和g) N K-edge XANES譜圖。
（h-j）碳?xì)饽z的XPS能譜。
圖3?FeP/Fe2O3@NPCA碳?xì)饽z的電化學(xué)性能
（a）N2或O2飽和0.1 M KOH溶液下CV曲線。
（b）轉(zhuǎn)速1,600 rpm下ORR的RDE極化曲線。
（c）由極化曲線獲得的Tafel曲線。
（d）不同轉(zhuǎn)速下的LSV曲線。
（e）iR補(bǔ)償OER的RDE極化曲線。
（f）由極化曲線獲得的Tafel曲線。
（g）一系列碳?xì)饽z催化劑和Pt/C+RuO2雙功能催化活性的極化曲線。
（h）FeP/Fe2O3@NPCA催化劑和文獻(xiàn)催化劑的△E值比較。
圖4?FeP/Fe2O3@NPCA水系鋅空氣電池性能
（a）基于FeP/Fe2O3@NPCA空氣陰極水系可充電鋅空氣電池示意圖。
（b）不同電流密度下的恒電流放電曲線。
（c）充放電極化曲線和相應(yīng)的功率密度曲線。
（d）不同電流密度下的恒電流放電測(cè)試，比容量由消耗鋅陽極的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化。
（e）在5 mA cm-2電流密度下，F(xiàn)eP/Fe2O3@NPCA基和Pt/C+RuO2基ZAB充放電曲線。
（f）FeP/Fe2O3@NPCA基ZAB在1，5，10?mA cm-2電流密度下循環(huán)充放電曲線。
（g）基于FeP/Fe2O3@NPCA流動(dòng)型鋅空氣電池示意圖。h) 在5，20 mA cm-2電流密度下，粉末狀FeP/Fe2O3@NPCA基流動(dòng)型ZAB充放電曲線。i) 在5 mA cm-2電流密度下，塊狀FeP/Fe2O3@NPCA基流動(dòng)型ZAB充放電曲線.
圖5?FeP/Fe2O3@NPCA固態(tài)鋅-空氣電池性能
（a）FeP/Fe2O3@NPCA自支撐式空氣電極組裝的固態(tài)ZAB示意圖。
（b）FeP/Fe2O3@NPCA基固態(tài)ZAB的充放電極化曲線和功率密度曲線。
（c）5mA cm-2電流密度下的恒電流放電曲線。
（d）5 mA cm-2電流密度下循環(huán)充放電曲線。
（e）?不同彎曲角度，5 mA cm-2?電流密度下充放電曲線。
（f）?三個(gè)固態(tài)ZAB平直/彎曲狀態(tài)下串聯(lián)為12盞LED供電照片。
小結(jié)
本研究報(bào)道了一種以木材衍生納米纖維素組裝的3D互連結(jié)構(gòu)為基底制備鐵基N，P摻雜碳?xì)饽z的簡便策略，通過定向冷凍澆鑄-退火處理合成具有原位生長的FeP/Fe2O3納米顆粒的3D蜂窩狀納米結(jié)構(gòu)。
所制備的碳?xì)饽z具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性和柔性多孔結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)有效的氣體/電解質(zhì)擴(kuò)散和良好的導(dǎo)電性。得益于鐵氧化物/磷化物與氮，磷摻雜的碳納米片之間的協(xié)同作用，F(xiàn)eP/Fe2O3@NPCA碳?xì)饽z表現(xiàn)出顯著的ORR / OER電催化活性?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，鐵基修飾碳?xì)饽z可作為“透氣”、“可壓縮”的高性能木材衍生空氣電極，用于常規(guī)水系ZAB中優(yōu)異的陰極材料，或流動(dòng)型ZAB和柔性固態(tài)ZAB中立體型自支撐式空氣陰極，具有高容量，持久的循環(huán)充電穩(wěn)定性和高能量效率。該工作是生物質(zhì)高值化利用和纖維素衍生材料功能化的重大進(jìn)展，相信獨(dú)立式碳?xì)饽z衍生電極在能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)的許多其他相關(guān)領(lǐng)域中也具有廣闊的應(yīng)用前景。
本文第一作者是華南理工大學(xué)碩士研究生Wu?Kunze,?Zhang Lei與Yuan?Yifei為共同第一作者，通訊作者為華南理工大學(xué)彭新文教授和美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室陸俊研究員。
