摘要
随着柔性和可穿戴电子设备的日益普及，对可轻松弯曲和可穿戴电源的需求也在快速增长。传统锂离子电池由于柔性和厚度不理想以及安全问题，难以适用于复杂的可穿戴设备。柔性锌空电池因具有氧化还原电位高、理论容量高、安全性好、储量丰富等优点，成为了理想的可穿戴储能设备候选者。开发石墨烯双功能催化剂对于实现柔性锌空气电池（FZABs）的高效氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）至关重要。层数较少的石墨烯具有较高的比表面积，可支持更多的催化位点进行能量转换。但是，开发低成本、高产率和低缺陷的单层石墨烯仍面临严峻挑战。本文从单原子氧还原催化剂出发，通过三氯化铁插层技术合成了多层石墨烯负载的FeCo@FeN4/G双功能催化剂。为了进一步探究石墨烯层数的影响机制，运用再插层技术，将多层石墨烯进行了再剥离，合成了FeN4/G/FeCo双功能催化剂，并将其应用于柔性可穿戴领域。具体研究内容如下: 1、石墨烯负载FeCo@FeN4/G双功能催化剂的制备及性能研究 在FeN4/G催化剂基础上引入不同比例的硝酸钴，将单催化活性催化剂成功转化为双功能催化剂，通过微调铁和钴的比例使FeCo@FeN4/G催化剂发挥出优异的ORR和OER性能。与FeN4/G相比，所制备的催化剂显示ORR的半波电位（E1/2）为0.88V虽略有下降，但在钴成分的诱导情况下，OER性能实际上得到了显著改善。OER在10mA cm-2处的过电位仅为357mV明显优于FeN4/G催化剂（450mV），显示出0.707V的小电位差。 2、石墨烯层数和氧催化活性位的协同调控及其柔性锌空电池的性能研究 介绍了一种通过多层石墨烯衍生物的气相插层，协同稀释石墨烯层并建立催化位点，从而获得优异的双功能氧催化剂的方法。合成的1-2层小尺寸片状石墨烯支持FeN4和FeCo双活性位点，在氧还原/析出反应中表现出卓越的可逆活性，总体过电位低至0.64V。这种片状催化剂还被进一步用于制造可穿戴电缆型锌空气电池，该电池具有高性能（197.2mW cm-2,＞450次循环），可为智能手机充电。DFT计算表明，与FeCo@FeN4/G相比，少层石墨烯负载的FeN4和FeCo合金位点，可降低吉布斯自由能，从而有利于OOH*中间体的吸附/解吸，使氧气氧化还原过程更加出色。
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