纖維素是自然界中廣泛分布、含量豐富的天然高分子材料，在制漿造紙產業(yè)中作為重要的材料，其應用領域不僅僅用于生產紙張、功能紙, 也可以開發(fā)納米纖維素及其深度應用。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，如質輕、較高的表面活性、比表面積大、楊氏模量高、吸附能力強和反應活性高等，賦予了納米纖維素獨特的光學性能、流變性能和機械性能，在制漿造紙中具有廣闊的應用前景，如紙漿的增強、細小纖維和填料的助留等，同時還可應用于納米醫(yī)藥、包裝材料、食品工業(yè)和建材等領域。
當前，柔性可壓縮的多孔輕質材料具有可調的三維層級結構、高孔隙率和孔體積、高比表面積等優(yōu)勢，作為新型的體相電極材料開發(fā)柔性儲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）制備的多孔碳結構可控性差或材料力學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氣相沉積技術，由木材中制備的納米纖維素具有長徑比大、機械強度高、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合冷凍澆鑄導向生長策略，發(fā)揮納米纖維素物理結構性能調控優(yōu)勢應用于設計先進的柔性儲能材料中。
成果簡介
目前，華南理工大學彭新文教授團隊展示了一種納米纖維素導向制備鐵基碳氣凝膠的簡便制造策略，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蜂窩狀納米結構。將此電極材料應用于自支撐式柔性鋅空電池和流動鋅空電池表現(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。
圖文導讀
圖1?FeP/Fe2O3@NPCA碳氣凝膠的合成示意圖和結構表征
（a）?FeP/Fe2O3負載N,P-摻雜多孔碳氣凝膠示意圖。
（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)?側視SEM圖像。碳化后碳氣凝膠e)?數(shù)碼照片和f)?頂視SEM圖像.
圖2?FeP/Fe2O3@NPCA碳氣凝膠的物相和結構表征。
（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圖像和對應的元素分布圖。
（e-g）e) Fe L-edge, f) C K-edge 和g) N K-edge XANES譜圖。
（h-j）碳氣凝膠的XPS能譜。
圖3?FeP/Fe2O3@NPCA碳氣凝膠的電化學性能
（a）N2或O2飽和0.1 M KOH溶液下CV曲線。
（b）轉速1,600 rpm下ORR的RDE極化曲線。
（c）由極化曲線獲得的Tafel曲線。
（d）不同轉速下的LSV曲線。
（e）iR補償OER的RDE極化曲線。
（f）由極化曲線獲得的Tafel曲線。
（g）一系列碳氣凝膠催化劑和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的功率密度曲線。
（d）不同電流密度下的恒電流放電測試，比容量由消耗鋅陽極的質量標準化。
（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
本研究報道了一種以木材衍生納米纖維素組裝的3D互連結構為基底制備鐵基N，P摻雜碳氣凝膠的簡便策略，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蜂窩狀納米結構。
所制備的碳氣凝膠具有良好的機械穩(wěn)定性和柔性多孔結構，可實現(xiàn)有效的氣體/電解質擴散和良好的導電性。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碳氣凝膠表現(xiàn)出顯著的ORR / OER電催化活性?；谝陨蟽?yōu)勢，鐵基修飾碳氣凝膠可作為“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。該工作是生物質高值化利用和纖維素衍生材料功能化的重大進展，相信獨立式碳氣凝膠衍生電極在能量轉換和存儲的許多其他相關領域中也具有廣闊的應用前景。
本文第一作者是華南理工大學碩士研究生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彭新文教授和美國阿貢國家實驗室陸俊研究員。
