由于具有高理论能量密度和低成本，空气液流电池在大规模储能中受到广泛关注。然而，它们的能量转换效率受限于氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的缓慢动力学。通常，粉末状催化剂和粘合剂会混合涂布到导电载体上，会掩盖部分活性位点, 降低其催化活性。更重要的是，这些粉状催化剂在气体释放过程中容易从载体上脱落，从而导致氧电极不稳定。
近期，北京化工大学向中华教授课题组开发了一种直接在碳纤维纸（CFP）上生长具有高效ORR和OER性能催化剂的方法。通过水热反应和氩气氛围中高温热解，在硫掺碳纤维纸（SCFP）上制备由非晶态NiSx-FeOy组成的双功能自支撑氧电极（NiSx-FeOy/SCFP）。非晶态NiSx-FeOy颗粒牢固地锚定在SCFP上，而三维多孔SCFP支撑不仅为电子和离子转移提供了有效途径，还提高了催化活性，更重要的是电极具有极高的实用性与稳定性。该文章近期发表在国际期刊Nano Energy上（影响因子：12.343）。
图1. (A) NiSx-FeOy/SCFP的制备过程。 (B) CFP, (C) NiSx-FeOy/SCFP的前驱体和 (D) NiSx-FeOy/SCFP的SEM图像。
得益于这些优势，所制备的NiSx-FeOy/SCFP催化剂在10mA/cm2电流密度下的OER过电势只有0.370V，并且具有与与商业铂碳相近的ORR半波电位。
图2. (A) IrO2，CFP，OCFP，SCFP 和NiSx-FeOy/SCFP 在0.1 M KOH 溶液中的ORR和OER性能。 (B) OER 和 (C) ORR的塔菲尔斜率。 (D) NiSx-FeOy/SCFP的OER在 E10 (mA/cm2对应电势) 和 ORR在E1 (1 mA/cm2对应电势) 与IrO2和Pt/C 催化剂稳定性的比较。
值得注意的是，用新开发的NiSx-FeOy / SCFP组装的锌空气液流电池（ZAFB）表现出高的充放电性能，并且运行110 h而没有性能衰减，表明NiSx-FeOy / SCFP具有高催化活性和良好的循环稳定性。这为以后金属空气电池的简便实用催化剂的开发提供了新途径。
图3. (A) ZAFB示意图; (B) NiSx-FeOy/SCFP 在 5, 10 和20 mA/cm2时各自的充放电循环曲线。 (C) NiSx-FeOy/SCFP 和贵金属催化剂 (Pt/C和IrO2) 各自作为新空气液流电池催化剂的稳定性对比。
材料制备过程
裁剪一个长12mm宽10mm小块碳纸（CP），室温下放入王水中浸泡6h，然后碳纸用大量蒸馏水清洗。取0.1mol硫脲和0.77mmol FeCl3和2.85 mmol Ni(CH3COO)2·4H2O溶解在60ml去离子水中，搅拌均匀。将酸处理后的碳纸放入100ml水热反应釜中，加入上述溶液，烘箱中200℃反应12h，反应结束后自然冷却。冷却后取出碳纸，用蒸馏水和乙醇洗涤数次。把碳纸放入烘箱中60℃干燥12h，再在氩气氛下900℃高温热解2h，得到NiSx-FeOy/SCFP。
Yuanhui Cheng, Dongming Li, Lei Shi, Zhonghua Xiang, Efficient unitary oxygen electrode for air-based flow batteries, Nano Energy, 2018, DOI:10.1016/j.nanoen.2018.03.013
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