高性能锌空气电池阴极的简易制备：基于Ketjen黑膜与镍泡沫的压缩集成设计

本文创新性地采用Ketjen黑(KB)膜与镍泡沫(NF)压缩集成策略，构建了集催化层、气体扩散层(GDL)和集流体于一体的锌空气电池(ZAB)阴极。该设计通过优化电荷转移动力学和气体传输效率，实现175 mW cm?2的峰值功率密度和600次循环仅8%的效率衰减，能量密度达理论值94.3%（1022.5 Wh kg?1），为低成本非贵金属ZAB电极设计提供了新范式。

　　

亮点

本研究通过简单压缩Ketjen黑(KB)膜与镍泡沫(NF)，构建了具有三重功能的集成阴极：① 形成三维氧传输通道提升气体扩散效率；② 亲/疏水区域空间分离减少ORR/OER反应干扰；③ 镍基表面介导分解H₂O₂促进4e^?路径。

材料与方法

采用KB粉末（34 nm）与聚四氟乙烯(PTFE)乳液混合，通过乙醇分散和压膜工艺制备柔性导电膜，再与镍泡沫热压复合。电解液采用6 M KOH+0.2 M Zn(Ac)₂，对比电极选用Pt/C+RuO₂混合催化剂。

结果与讨论

◆ 微观结构：扫描电镜显示KB膜形成分级多孔网络（孔隙率>80%），接触角测试证实疏水表面（152°）与亲水NF形成Janus界面。

◆ 电化学性能：旋转圆盘电极测试显示ORR半波电位正移0.12 V，H₂O₂产率<5%，证实4e^?主导路径。

◆ 电池性能：峰值功率密度达175 mW cm^?2（277 mA cm^?2），优于传统Pt/C基阴极（138 mW cm^?2）。

结论

这种"三明治"结构阴极通过材料协同效应：① KB网络加速电子传导；② PTFE调控的疏水通道促进O₂扩散；③ NF界面催化分解副产物，最终实现功率密度、循环寿命（600次）和能量密度（818 mAh g^?1）的协同提升。