DOI: 10.1021/acsami.2c03668

准固态柔性锌空气电池（FZABs）因其低成本和高安全性而受到广泛关注。然而，由于缺乏稳定的准固态电解质膜以及高效的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）双功能电催化剂，其寿命受到了限制，从而阻碍了电力设备用FZABs的大规模制造和商业化。在此，通过简便同轴静电纺丝、水溶解、冻干和KOH预浸法制备了聚丙烯腈（PAN）基膜（HPPANP），并将其用作准固态电解质膜。基于PAN纳米纤维的互连中空多孔结构赋予HPPNP出色的电解质吸收/保留能力以实现高离子电导率和纳米级润湿电解质/阳极界面，以实现均匀的Zn溶解/沉积，从而延长FZABs的寿命。此外，KOH溶液的原位碱解为HPPANP提供了丰富的含氧基团，这有利于提高其离子电导率。本研究合成了一种Co/N掺杂中空碳球（CoN-CS）电催化剂，该催化剂表现出优异的ORR和OER电催化活性，具有0.73V的低电位差（ΔE）。这种良好的ORR和OER性能主要归因于具有丰富活性位点、长期稳定性和有利电子/离子扩散途径的分层中空微/纳米结构。因此，配备CoN-CS催化剂和HPPANP的FZAB显示出高功率密度（123.8mW/cm²）和较好的长期循环性能（在3mA/cm²下超过50h）。

图1.（a）HPPAN的SEM图像。（b-d）PS@Co/Zn-ZIF的SEM图像。（e）HPPAN的横截面SEM图像。（f-h）CoN-CS-800的SEM图像。（i）CoN-CS-800的TEM图像。（j）CoN-CS-800的HRTEM图像。（k）CoN-CS-800的HAADF-STEM图像和相应的元素图。

图2.CoN-CS-700、CoN-CS-800和CoN-CS-900的（a）XRD图谱、（b）拉曼光谱、（c）高分辨率N1s光谱和（d）高分辨率Co2p光谱。

图3.（a）HPPAN和PAN-2对液体电解质/水的吸收率。（b）HPPANP和PAN-3膜对液体电解质/水的解吸率。（c）HPPAN的N₂吸附/解吸等温线，插图显示相应的孔径分布曲线。（d）HPPAN（左）和PAN-2（右）的接触角图像。（e）HPPAN和HPPANP的ATR-IR光谱。（f）HPPANP和PAN-3的交流阻抗谱。插图显示了HPPANP和PAN-3的离子电导率。

图4.（a）CoN-CS-700、CoN-CS-800、CoN-CS-900和20wt%Pt/C在O₂饱和的0.1M KOH中的LSV曲线，扫描速率为5mV/s。（b）所制备催化剂的Tafel图。（c）CoN-CS-800在不同转速下的LSV曲线，插图显示CoN-CS-800在不同电位下的K-L图。（d）所制备样品和IrO₂的LSV曲线。（e）所制备催化剂的Tafel图。（f）不同催化剂的ΔE值。

图5.（a）FZAB示意图。（b）基于HPPANP和CoN-CS-800的FZAB的电压。（c）FZAB演示。（d）含不同催化剂和电解质膜的FZAB的放电极化曲线和功率密度曲线。（e）含不同催化剂和电解质膜的FZAB在3mA/cm²电流密度下的放电曲线。（f）含不同催化剂和电解质膜的FZAB的倍率性能。（g）含不同催化剂和电解质膜的FZAB在3mA/cm²电流密度下的GDC测量。

图6.（a,b）循环后用PAN-3制造的电池中锌箔的SEM图像。（c）循环后用PAN-3制造的电池中锌箔的XRD图。（d,e）循环后用HPPANP制造的电池中锌箔的SEM图像。（f）循环后用HPPANP制造的电池中锌箔的XRD图。