image: (a) 传统空气电极示意图。 (b) 仿生非对称空气电极设计原理示意图。 (c) Asy-FCNTs-FGNSs电极的SEM截面图，插图：实物照片。 (d-f) Asy-FCNTs-FGNSs 电极上（d）、中（e）、下（f）区域的放大SEM图像。 (g) 碳基组装仿生非对称电极在锌空气电池中的应用示意图。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
锌空气电池凭借其高理论能量密度、环境友好性和成本效益优势，被认为是下一代可持续储能技术的理想选择。然而，空气电极上缓慢的氧还原反应以及反应物与产物的低效传输限制了其实际应用，这些问题与传统空气电极的结构局限密切相关。
为解决这些挑战，来自江苏科技大学的研究团队从自然界汲取灵感，通过简易的碳质组装策略，开发出一种创新型非对称空气电极。该电极以两种功能化碳材料为构建单元：锚定了酞菁铁（氧还原催化活性组分）的功能化石墨烯纳米片（FGNSs）和碳纳米管（FCNTs）。其中，FGNSs侧面向电解液，组装成鱼鳞状亲水性层状结构，促进离子快速渗透；FCNTs侧暴露于空气，形成水蜘蛛腿状疏水性绒毛结构，加速氧气扩散。
该巧妙设计的非对称结构（Asy-FCNTs-FGNSs）在电极内部构建了连续的润湿性梯度，显著扩大了三相反应区域（固相催化剂/液相电解液/气相氧气），并实现了高效传质——氧气从空气向催化剂扩散，离子从电解液向活性位点迁移。该结构有效提升了催化位点利用率和结构耐久性，并直接转化为电池性能的提升。
实验结果表明，基于该仿生电极的锌空气电池性能显著增强：峰值功率密度达239.3 mW cm−2，在10 mA cm−2电流密度下比容量为814.3 mAh g−1，且在相同电流密度下实现3696次稳定循环，性能优于传统对称电极和先前报道的先进自支撑空气电极。
除性能提升外，该设计还具备可规模化、成本效益高的制备优势。通过直接借鉴水蜘蛛腿与鱼鳞的天然结构，结合简易的碳质组装工艺，为电极结构优化提供了创新示范——该思路将为锌空气电池及其他先进储能装置研发提供重要参考。