可充電鋅-空氣電池被認為是很有潛力的下一代能量儲存器件，然而其不盡人意的循環壽命制約著其大規模的發展和應用。提升可充電鋅-空氣電池循環壽命的關鍵挑戰之一在于提升空氣電極的穩定性。由于電池的充電過程（氧析出反應，OER）與放電過程（氧還原反應, ORR）具有不同的微環境需求，導致空氣電極的雙功能催化劑在充放電循環過程中不穩定，使電池性能逐漸衰減。針對于此，中國科學院大學聯合新加坡國立大學等多家單位，設計出一種“自解耦"的空氣電極，極大地提升了空氣電極的穩定性及鋅-空氣電池的循環壽命。同時，作者使用美國easyXAFS公司的臺式X射線吸收精細結構譜儀-XAFS/XES對電池材料的精細結構進行了分析。該設備無需同步輻射光源，可在常規實驗室環境中測量X射線吸收精細結構譜和X射線發射譜，得到可以媲美同步輻射水平的譜圖，實現對元素的定性和定量分析、價態分析、配位結構解析等。

臺式X射線吸收精細結構譜儀-XAFS/XES

      “自解耦"空氣電極的設計原理如圖1所示。圖1a展示了傳統空氣電極的微觀結構，雙功能催化劑被直接負載在碳紙電極上，在充電過程的高電壓下，OER過程會伴隨著催化劑本身的電化學氧化。圖1b展示了“自解耦"空氣電極的微觀結構，其中加入了磺酸摻雜聚苯胺（S-PANI）中間層，其電導率可隨充放電電位切換，從而將OER和ORR反應分離開來。具體來說，當電池充電時，OER部分的催化劑助力氧析出反應，而ORR部分催化劑由于S-PANI中間層的絕緣而保持惰性，從而避免被電化學氧化。而在放電過程中，S-PANI中間層變得導電，ORR部分的催化劑可促進氧還原反應。

圖1. (a) 傳統空氣電極結構示意圖。（b）自解耦空氣電極結構示意圖。

        圖2展示了空氣電極的雙功能催化劑ZnCoP/NC的合成過程(圖2a)及表征結果（圖2b-2g）。作者利用臺式X射線吸收精細結構譜儀-XAFS/XES，在室溫條件下，使用Si (533) 單色器，測試了Co元素K-邊的X-射線吸收譜。圖2f展示了X-射線吸收近邊結構譜（XANES）, ZnCoP/NC與Co箔相似。圖2g展示了X-射線吸收擴展邊精細結構譜的傅里葉變換圖（FT-EXAFS）, 其中1.6 和 2.5 ? 分別指向Co-P鍵和Co-Co鍵，證明ZnCo-P/NC的主相是磷化鈷。該實驗從材料價態與局域配位環境的角度，解析了雙功能催化劑ZnCoP/NC的精細結構。

圖2 (a) ZnCo-P/NC的合成過程。ZnCo-P/NC的（b）SEM圖，（c）TEM圖，（d）高分辨TEM圖，（e）EDS-mapping圖，（f）Co-K邊 XANES, (g) FT-EXAFS。

      該項成果以“Self-Decoupled Oxygen Electrocatalysis for Ultrastable Rechargeable Zn-Air Batteries with Mild-Acidic Electrolyte“為題目，發表于國際期刊ACS Nano。

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/action/showCitFormats?doi=10.1021/acsnano.3c05845&ref=pdf

臺式X射線吸收精細結構譜儀-XAFS/XES測試數據展示：

      近期，QD北京樣機實驗室測試了低質量含量的Pt、Cu樣品，結果表明，臺式X射線吸收精細結構譜儀在測試1 wt%級別的低含量元素時也可獲得與同步輻射光源數據高度吻合的優質譜圖，可為單原子催化劑等領域的研究提供有力支持。

1 wt% Pt@Al₂O₃

0.9 wt% Cu@CBN

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