陈嘉川教授团队在国际顶级期刊Energy & Environmental Science 发表关于生物质基碳材料最新研究成果

国重陈嘉川教授团队以制浆造纸工艺为基础，提出了一种全木基柔性锌-空气电池的概念。将高污染的制浆副产物造纸废液转化为具有优异氧还原性能的Fe团簇增强非对称FeN₃S₁单原子催化剂（E_1/2=0.90 V），实现了水系锌-空气电池在20 mA cm^-2的电流密度下稳定运行425 h；同时，主要产物纤维素被转化为一种可适应大电流密度以及宽温域工作的凝胶电解质（工作温度为-60℃-50℃）。相关研究成果以“Wood-derived Fe Cluster Reinforced Asymmetric Single-Atom Catalysts and Weather-Resistant Organohydrogel for Wide Temperature Flexible Zn–Air Batteries”为题，在线发表于国际Top期刊Energy & Environmental Science（影响因子32.5）。陈嘉川教授和2020级硕士研究生邱程龙为论文共同第一作者，通讯作者为张磊博士，Orlando J. Rojas教授等。此项研究工作提出了从可再生生物质中获得能源转换新材料的理念，为具有成本效益的能源转换系统奠定了理论基础。

图1 全木基柔性宽温锌-空气电池的制备示图

图2 (a-b) Fex/FeN₃S₁-C催化剂的N1s和S2p高分辨率X射线光电子能谱; (c) 不同样品的归一化铁边X射线吸收近边光谱(XANES); (d) 样品的Fe K-edge扩展x射线吸收精细结构(EXAFS)光谱; (e) 样品的R空间拟合曲线；(f) Fex/FeN₃S₁-C原子结构模型示意图；(g) Fe箔、Fe₂O₃、FePc、Fex/FeN₃S₁-C和FeN₃S₁-C的FeK边的小波变换EXAFS信号。

图3 相关模型的DFT计算 (a) 差分电荷图；(b) Bader 电荷图；(c) FeN₄、FeN₃S₁-C、Fe₄-FeN₄-C 和 Fe₄-FeN₃S₁-C 的PDOS； (d) OH* 中间产物在 FeN₄、FeN₃S₁-C、Fe₄-FeN₄-C 和 Fe₄-FeN₃S₁-C上吸附后的结构；（e-f）在 U = 0 V 和 U = 1. 23 V 时ORR的吉布斯自由能图；g) 模拟 Fe₄-FeN₃S₁-C 结构在碱性溶液中的 ORR 机理

图4 (a1）PVA/C-CNF体系的微观结构；（a2）PVA 链和 OH- 的聚集形态；（a3）C-CNF上的季铵盐链和 OH-聚集形态；（a4）OH- 的分布；b1-b2）径向分布函数（RDF）和配位数（CN）： b1) 阳离子-OH-；b2) 阳离子-H₂O；（c）OH- 沿C-CNF表面扩散。青色：PVA 表面，黄色：C-CNF (d) 通过密度梯度散射（RDG）突出显示阳离子和 OH- 之间的非共价分子相互作用；(e) CNF@PVA 和 PVA 有机水凝胶的应力-应变曲线；(f) CNF@PVA的机械性能和Wood-WTF-ZAB的可穿戴性演示的图像；(g) Wood-WTF-ZAB 的放电极化曲线和功率密度； (h) Wood-WTF-ZABs 在 5、10 和 20 mA cm^-2 下充放电循环曲线；(i1) Zn 表面与不同凝胶电解质的反应和演化示意图以及 Zn 阳极循环后的扫描电子显微镜图像（i2）； Wood-WTF-ZABs 在 -40和-60ºC (j) 的循环稳定性以及在 50 ºC 下的充放电循环（k）。

此外研究团队以纤维素为原料，采用水热碳化方法，以少量GO诱导，将纤维素转化为水热碳纳米片。然后通过与FeCl₃和NH₄Cl混合热解制备一种原子级催化材料，由嵌入氮掺杂碳纳米片中的单个铁原子和Fe₃O₄纳米颗粒组成（图5,6）的催化剂作为空气电极组装的锌空气电池具有极好的充放电性能（5 mA cm^-1，618 h）。此外，研究团队采用制浆过程副产物-木质素磺酸钠，通过纯化与PVA交联构建了一种新型的木质素磺酸钠增强的PVA功能化水凝胶，该凝胶与上述单原子催化剂组成的柔性固态锌空电池在室温下可以循环充放电85 h（2 mA cm^-1，10 min/cycle），保持较高的循环充放电效率，循环后的锌片显示出轻微的腐蚀和均匀的锌沉积。相关研究成果以“From Wood to Flexible Zn-air Battery: Fe₃O₄ Nanoparticles Synergistic Single Iron Atoms on N-Doped Carbon Nanosheets Electrocatalyst and Lignosulfonate-Functionalized Gel Electrolyte”为题，在线发表于国际Top期刊Chemical Engineering Journal（影响因子15.1），论文第一作者为2021级硕士研究生赵鹏华，通讯作者为张磊博士，陈嘉川教授和杨桂花教授。

图5 基于制浆过程构建高性能柔性锌空电池

图6柔性锌空电池性能表征