一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜：解鎖鋅 - 空氣電池高性能密碼

一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜：解鎖鋅-空氣電池高性能密碼一、引言1.1研究背景與意義在全球能源需求不斷增長(zhǎng)以及環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的大背景下，開發(fā)高效、可持續(xù)的能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換技術(shù)已成為科學(xué)界和工業(yè)界的研究焦點(diǎn)。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和對(duì)可持續(xù)發(fā)展的追求，新能源技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用變得愈發(fā)重要。其中，電池作為一種重要的儲(chǔ)能裝置，在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。鋅-空氣電池作為一種極具潛力的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，近年來受到了廣泛關(guān)注。鋅-空氣電池是以空氣中的氧氣為正極活性物質(zhì)，金屬鋅為負(fù)極活性物質(zhì)，氫氧化鉀等堿性溶液為電解質(zhì)的一種新型化學(xué)電源，其具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。從能量密度角度來看，鋅-空氣電池的理論比能量高達(dá)1086Wh/kg，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鉛酸電池（約為30-50Wh/kg）和常見的鋰離子電池（通常在100-260Wh/kg之間）。這意味著在相同質(zhì)量的情況下，鋅-空氣電池能夠存儲(chǔ)更多的能量，為設(shè)備提供更持久的電力支持。在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，如果采用鋅-空氣電池作為動(dòng)力源，車輛的續(xù)航里程將得到大幅提升，有望解決目前電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航焦慮的問題。在成本方面，鋅-空氣電池也展現(xiàn)出明顯的競(jìng)爭(zhēng)力。鋅是一種地殼中含量較為豐富的金屬元素，其價(jià)格相對(duì)低廉，且獲取成本較低。同時(shí)，空氣作為正極活性物質(zhì)，取之不盡、用之不竭，無需額外的開采和提煉成本。相比之下，鋰離子電池中常用的鋰、鈷等元素，不僅儲(chǔ)量有限，而且開采和提煉過程復(fù)雜，成本高昂。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋰離子電池的材料成本約占其總成本的60%-80%，而鋅-空氣電池的材料成本則相對(duì)較低，這使得鋅-空氣電池在大規(guī)模應(yīng)用時(shí)具有更大的成本優(yōu)勢(shì)。安全性和環(huán)保性也是鋅-空氣電池的突出優(yōu)點(diǎn)。在安全性能上，即使在遇到外部明火、短路、穿刺、撞擊等極端情況時(shí)，鋅-空氣電池也不會(huì)發(fā)生燃燒、爆炸等危險(xiǎn)，這為其在各種應(yīng)用場(chǎng)景中的使用提供了可靠的安全保障。在環(huán)保方面，電池的正極采用活性碳、銅網(wǎng)，負(fù)極采用金屬鋅，這些材料均不含有毒有害物質(zhì)，在生產(chǎn)、使用和廢棄過程中對(duì)環(huán)境的污染較小。而且，鋅電極使用完后，可通過再生還原得到再次使用，實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。然而，盡管鋅-空氣電池具有眾多優(yōu)勢(shì)，但其商業(yè)化進(jìn)程卻受到了諸多因素的制約。其中，空氣電極的性能問題是限制鋅-空氣電池發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。在放電過程中，空氣極發(fā)生的氧還原反應(yīng)（ORR）涉及復(fù)雜的四電子反應(yīng)過程，其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，需要較高的活化能，導(dǎo)致過電位過高。這不僅降低了電池的能量轉(zhuǎn)換效率，還使得電池的輸出電壓降低，影響了電池的整體性能。在充電過程中，空氣極發(fā)生的氧析出反應(yīng)（OER）同樣存在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)遲緩的問題，進(jìn)一步增加了電池的能耗和成本。此外，目前常用的空氣電極催化劑多為貴金屬及其合金，如鉑（Pt）等。這些貴金屬催化劑雖然具有優(yōu)異的催化活性，能夠有效加速氧還原反應(yīng)和氧析出反應(yīng)的進(jìn)行，提高電池的性能，但它們也存在著一些嚴(yán)重的缺陷。一方面，貴金屬的儲(chǔ)量稀少，價(jià)格昂貴，這使得電池的成本大幅增加，限制了鋅-空氣電池的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。以鉑為例，其價(jià)格在過去幾十年中一直居高不下，且隨著需求的增加，價(jià)格波動(dòng)較大，這給鋅-空氣電池的成本控制帶來了極大的困難。另一方面，貴金屬催化劑的穩(wěn)定性較差，在電池的充放電循環(huán)過程中，容易受到氧化、中毒等因素的影響，導(dǎo)致催化活性逐漸下降，從而縮短了電池的使用壽命。為了解決上述問題，開發(fā)高效、低成本的非貴金屬催化劑成為了當(dāng)前鋅-空氣電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在眾多非貴金屬催化劑中，一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。一維結(jié)構(gòu)的碳納米纖維具有特殊的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，其高的電導(dǎo)率能夠有效促進(jìn)電子的傳輸，加快反應(yīng)速率；良好的導(dǎo)熱系數(shù)有助于及時(shí)散發(fā)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量，維持電池的穩(wěn)定運(yùn)行；出色的電化學(xué)穩(wěn)定性則保證了材料在長(zhǎng)期的充放電過程中能夠保持結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定。通過將鈷元素引入碳納米纖維中，形成鈷基碳納米纖維復(fù)合膜，可以充分發(fā)揮鈷的催化活性和碳納米纖維的優(yōu)良特性，實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)同作用。鈷原子具有豐富的電子結(jié)構(gòu)和多樣的氧化態(tài)，能夠?yàn)檠踹€原反應(yīng)和氧析出反應(yīng)提供更多的活性位點(diǎn)，降低反應(yīng)的活化能，從而提高電池的性能。同時(shí)，碳納米纖維作為載體，不僅可以分散鈷顆粒，防止其團(tuán)聚，還能夠提供良好的電子傳導(dǎo)通道，增強(qiáng)催化劑的導(dǎo)電性。此外，通過對(duì)一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如調(diào)控纖維的直徑、長(zhǎng)度、孔隙率等參數(shù)，以及引入其他元素進(jìn)行摻雜改性，可以進(jìn)一步提高其催化性能和穩(wěn)定性。較小的纖維直徑和較大的比表面積能夠增加活性位點(diǎn)的暴露量，提高催化劑的利用率；合適的孔隙結(jié)構(gòu)則有利于氣體的擴(kuò)散和電解質(zhì)的滲透，改善電池的傳質(zhì)性能。引入氮、硫等雜原子進(jìn)行摻雜，可以改變材料的電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其對(duì)氧分子的吸附和活化能力，從而提升催化活性。綜上所述，研究一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜用于鋅-空氣電池具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論層面來看，深入探究一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，以及其在氧還原反應(yīng)和氧析出反應(yīng)中的催化機(jī)理，有助于豐富和完善電催化理論，為開發(fā)新型高效的電催化劑提供理論指導(dǎo)。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜有望解決鋅-空氣電池空氣電極性能不佳的問題，提高電池的能量轉(zhuǎn)換效率、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性，降低電池的成本，從而推動(dòng)鋅-空氣電池的商業(yè)化進(jìn)程，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源發(fā)展做出貢獻(xiàn)。在未來的能源領(lǐng)域中，鋅-空氣電池憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，有望在電動(dòng)汽車、分布式儲(chǔ)能、便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的研究成果將為其發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。1.2鋅-空氣電池概述1.2.1工作原理鋅-空氣電池是一種特殊的化學(xué)電源，其工作原理基于電化學(xué)反應(yīng)，通過氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)換。在鋅-空氣電池中，以金屬鋅作為負(fù)極活性物質(zhì)，空氣中的氧氣作為正極活性物質(zhì)，通常采用氫氧化鉀（KOH）等堿性溶液作為電解質(zhì)。放電過程是電池向外輸出電能的過程，此時(shí)負(fù)極的鋅發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子。具體的電極反應(yīng)式為：Zn+4OH^-\longrightarrowZn(OH)_4^{2-}+2e^-。在這個(gè)反應(yīng)中，鋅原子在堿性環(huán)境下與氫氧根離子結(jié)合，生成四羥基合鋅酸根離子，并釋放出兩個(gè)電子。這些電子通過外部電路流向正極，形成電流，從而為外接負(fù)載提供電能。正極則發(fā)生氧氣的還原反應(yīng)，氧氣在正極表面得到從負(fù)極傳來的電子，與水發(fā)生反應(yīng)生成氫氧根離子。其電極反應(yīng)式為：O_2+2H_2O+4e^-\longrightarrow4OH^-。整個(gè)放電過程的總反應(yīng)方程式為：2Zn+O_2+4OH^-+2H_2O\longrightarrow2Zn(OH)_4^{2-}。從總反應(yīng)可以看出，鋅和氧氣在堿性電解質(zhì)的作用下發(fā)生反應(yīng)，生成四羥基合鋅酸根離子，同時(shí)釋放出電能。當(dāng)需要對(duì)鋅-空氣電池進(jìn)行充電時(shí)，過程則與放電過程相反。此時(shí)，電池外接電源，在電能的作用下，正極和負(fù)極發(fā)生逆向的電化學(xué)反應(yīng)。負(fù)極上，四羥基合鋅酸根離子得到電子，被還原為鋅和氫氧根離子，電極反應(yīng)式為：Zn(OH)_4^{2-}+2e^-\longrightarrowZn+4OH^-。正極上，氫氧根離子失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧氣和水，電極反應(yīng)式為：4OH^-\longrightarrowO_2+2H_2O+4e^-。充電過程的總反應(yīng)方程式為：2Zn(OH)_4^{2-}\longrightarrow2Zn+O_2+4OH^-+2H_2O，通過這個(gè)過程，電能被轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來，使電池恢復(fù)到可放電的狀態(tài)。這種獨(dú)特的工作原理使得鋅-空氣電池具有一些顯著的特點(diǎn)。氧氣作為正極活性物質(zhì)，來源廣泛且無需額外存儲(chǔ)，大大提高了電池的能量密度。金屬鋅作為負(fù)極，具有較高的理論比容量，且鋅在自然界中的儲(chǔ)量豐富，價(jià)格相對(duì)較低，這使得鋅-空氣電池在成本方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。但在實(shí)際應(yīng)用中，其工作原理也帶來了一些挑戰(zhàn)，如空氣電極上的氧還原反應(yīng)和氧析出反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，導(dǎo)致電池的充放電效率較低，以及鋅負(fù)極在充放電過程中容易出現(xiàn)枝晶生長(zhǎng)等問題，影響電池的循環(huán)壽命和安全性。1.2.2發(fā)展歷程與現(xiàn)狀鋅-空氣電池的發(fā)展歷程漫長(zhǎng)且充滿探索，其起源可追溯到19世紀(jì)初。1800年，第一個(gè)電池——伏打電堆發(fā)明，采用金屬鋅作為負(fù)極材料，這為后續(xù)鋅基儲(chǔ)能器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1878年，法國(guó)工程師L.Maiché報(bào)道了一款帶有多孔空氣正極的鋅基電池，采用鍍鉑炭電極代替勒克朗謝電池中的二氧化錳電極進(jìn)行相對(duì)穩(wěn)定地放電，這標(biāo)志著第一個(gè)鋅空氣電池的誕生，證明了金屬鋅和空氣電極分別作為負(fù)極和正極應(yīng)用于電化學(xué)儲(chǔ)能的潛力，為后續(xù)鋅空氣電池技術(shù)的發(fā)展開辟了道路。但當(dāng)時(shí)該電池采用酸性電解液體系，存在輸出電壓低、電極材料穩(wěn)定性差和電解液溢漏等問題，限制了其廣泛應(yīng)用。1932年，重大突破出現(xiàn)，GeorgeW.Heise和ErwinA.Schumacher開發(fā)出首款堿性鋅空氣電池產(chǎn)品。該電池使用氫氧化鈉溶液作為電解液，有效緩解了電極腐蝕和性能衰減問題。同時(shí)，在電池構(gòu)型和封裝工藝上進(jìn)行改進(jìn)，采用金屬鋅作為負(fù)極、碳棒作為正極吸附氧氣，添加石灰消除外界二氧化碳干擾，并使用石蠟封裝防止電解液溢漏。此后，堿性鋅空氣電池的影響力迅速擴(kuò)張，從1932年到20世紀(jì)50年代末，廣泛應(yīng)用于鐵路信號(hào)燈、遠(yuǎn)洋導(dǎo)航、家用器件儲(chǔ)能等領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代，航空航天事業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了氫氧燃料電池技術(shù)的進(jìn)步，新型氣體擴(kuò)散電極的出現(xiàn)為鋅空氣電池的發(fā)展帶來契機(jī)。輕薄的氣體擴(kuò)散電極替代老舊沉重的碳棒電極用于氧氣吸附，為鋅空氣電池的構(gòu)型升級(jí)提供了材料基礎(chǔ)，使其開始“瘦身”，放電電流密度大幅提升，高功率鋅空氣電池得以實(shí)現(xiàn)。1977年，小型高性能的扣式鋅空氣電池成功商業(yè)化生產(chǎn)，廣泛用于助聽器電源。近年來，隨著材料科學(xué)和電化學(xué)理論的不斷發(fā)展，以及環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)和新能源市場(chǎng)的擴(kuò)大，鋅空氣電池的研究和應(yīng)用受到更多重視。在電極材料、催化劑、電解液等方面取得了諸多進(jìn)展。在電極材料研究上，不斷探索高活性、高穩(wěn)定性的鋅陽(yáng)極材料以及高效、穩(wěn)定的空氣陰極材料，以提高電池性能。在催化劑開發(fā)方面，致力于研發(fā)高效、低成本的催化劑，降低氧氣還原反應(yīng)活化能，提升電池整體性能。對(duì)電解液的研究也在持續(xù)深入，包括選擇合適的電解液類型（如堿性或中性電解液）、優(yōu)化電解液濃度以提高離子傳導(dǎo)效率，以及研究電解液添加劑改善鋅陽(yáng)極的溶解和沉積行為，提高電池循環(huán)壽命。目前，鋅空氣電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，在助聽器、醫(yī)療器械、航海信號(hào)燈等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。在助聽器領(lǐng)域，其高能量密度和長(zhǎng)壽命特性使得助聽器能夠持續(xù)穩(wěn)定工作；在醫(yī)療器械方面，許多便攜式醫(yī)療器械如血糖儀、血壓計(jì)等采用鋅空氣電池作為電源，滿足其長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的需求；在航海領(lǐng)域，鋅空氣電池因其可靠性高且維護(hù)成本低，被用作信號(hào)燈和救生設(shè)備的電源?？蒲腥藛T也在積極探索其在新能源汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用，期望憑借其高能量密度、低成本和環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，成為新能源汽車的主要?jiǎng)恿碓粗?。盡管取得了一定進(jìn)展，但鋅空氣電池在能量密度、循環(huán)壽命、成本等方面仍有提升空間，需要進(jìn)一步的研究和技術(shù)突破。1.2.3面臨的挑戰(zhàn)盡管鋅-空氣電池具有眾多優(yōu)勢(shì)且近年來取得了一定的發(fā)展，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨著諸多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)限制了其大規(guī)模商業(yè)化和更廣泛的應(yīng)用?？諝怆姌O極化是一個(gè)關(guān)鍵問題。在鋅-空氣電池的充放電過程中，空氣電極上分別發(fā)生氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）。ORR是一個(gè)復(fù)雜的四電子轉(zhuǎn)移過程，需要較高的活化能，導(dǎo)致反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，存在較大的過電位。這使得電池在放電時(shí)輸出電壓降低，能量轉(zhuǎn)換效率下降。同樣，OER在充電過程中也面臨反應(yīng)動(dòng)力學(xué)遲緩的問題，需要消耗額外的能量來克服過電位，增加了電池的充電能耗和成本。目前常用的解決方法是使用催化劑來加速反應(yīng)，但高效的催化劑往往成本高昂，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。鋅陽(yáng)極枝晶的生長(zhǎng)也是影響電池性能和安全性的重要因素。在充放電過程中，鋅離子在負(fù)極表面的沉積不均勻，容易形成樹枝狀的鋅枝晶。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，鋅枝晶會(huì)不斷生長(zhǎng)，可能會(huì)穿透隔膜，導(dǎo)致正負(fù)極短路，引發(fā)電池失效甚至安全事故，如燃燒、爆炸等。此外，鋅陽(yáng)極還存在腐蝕、鈍化等問題，會(huì)降低鋅的利用率，縮短電池的使用壽命。為了解決鋅陽(yáng)極枝晶問題，研究人員嘗試了多種方法，如優(yōu)化電解液組成、設(shè)計(jì)新型的鋅陽(yáng)極結(jié)構(gòu)、添加添加劑等，但目前仍未找到完全有效的解決方案。成本問題也是制約鋅-空氣電池發(fā)展的重要因素之一。雖然鋅是一種相對(duì)豐富且價(jià)格較低的金屬，但電池中的其他組件，如空氣電極中的催化劑（尤其是貴金屬催化劑）、氣體擴(kuò)散層材料等成本較高。此外，電池的制造工藝復(fù)雜，規(guī)?；a(chǎn)程度較低，導(dǎo)致單位制造成本居高不下。這使得鋅-空氣電池在與其他電池技術(shù)（如鋰離子電池）競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，在成本方面處于劣勢(shì)，限制了其在對(duì)成本敏感的應(yīng)用領(lǐng)域（如電動(dòng)汽車）中的推廣。電池的循環(huán)壽命較短也是一個(gè)亟待解決的問題。由于上述空氣電極極化、鋅陽(yáng)極枝晶生長(zhǎng)等問題的存在，以及電池在充放電過程中電極材料的結(jié)構(gòu)變化和活性降低，導(dǎo)致鋅-空氣電池的循環(huán)穩(wěn)定性較差。經(jīng)過有限的充放電循環(huán)后，電池的容量會(huì)顯著衰減，無法滿足長(zhǎng)期使用的需求。在一些需要頻繁充放電的應(yīng)用場(chǎng)景中，如電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)，短循環(huán)壽命嚴(yán)重限制了鋅-空氣電池的應(yīng)用。此外，鋅-空氣電池還存在一些其他問題，如對(duì)環(huán)境濕度和溫度的敏感性較高。在高濕度環(huán)境下，電池內(nèi)部可能會(huì)發(fā)生水的積累，影響電池的性能和壽命；在低溫環(huán)境下，電池的反應(yīng)速率會(huì)降低，導(dǎo)致電池的功率輸出和能量效率下降。這些問題都需要通過進(jìn)一步的研究和技術(shù)創(chuàng)新來解決，以推動(dòng)鋅-空氣電池的發(fā)展和應(yīng)用。1.3一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜簡(jiǎn)介一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜是一種將鈷基材料與碳納米纖維相結(jié)合的新型復(fù)合材料，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和組成使其在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，尤其是在鋅-空氣電池應(yīng)用中，具有巨大的潛力。從結(jié)構(gòu)上看，一維碳納米纖維具有獨(dú)特的長(zhǎng)徑比，呈現(xiàn)出纖維狀的形態(tài)。這種結(jié)構(gòu)賦予了材料較高的比表面積，能夠提供更多的活性位點(diǎn)，有利于物質(zhì)的吸附和反應(yīng)的進(jìn)行。高長(zhǎng)徑比還使得碳納米纖維具有良好的電子傳導(dǎo)性能，能夠快速地傳輸電子，降低電池的內(nèi)阻，提高電池的充放電效率。碳納米纖維之間相互交織形成的多孔結(jié)構(gòu)，為氣體和電解質(zhì)的擴(kuò)散提供了通道，有助于改善電池的傳質(zhì)性能，使電池在工作過程中能夠更充分地發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。在組成方面，鈷基材料的引入為復(fù)合膜帶來了豐富的催化活性中心。鈷原子具有多種氧化態(tài)，如Co2?、Co3?等，這些不同氧化態(tài)的鈷原子能夠在氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）中發(fā)揮重要作用。在ORR過程中，鈷原子可以通過與氧分子的相互作用，降低反應(yīng)的活化能，促進(jìn)氧分子的吸附和還原，從而提高電池的放電性能。在OER過程中，鈷基材料同樣能夠提供有效的催化活性位點(diǎn)，加速氫氧根離子的氧化，產(chǎn)生氧氣，提高電池的充電效率。鈷基材料還可以與碳納米纖維形成協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步增強(qiáng)復(fù)合膜的性能。鈷顆粒均勻地分散在碳納米纖維表面，不僅可以防止鈷顆粒的團(tuán)聚，提高其穩(wěn)定性，還能夠通過與碳納米纖維之間的電子相互作用，優(yōu)化材料的電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其對(duì)反應(yīng)分子的吸附和活化能力。在鋅-空氣電池中，一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜主要用作空氣電極的催化劑或催化劑載體。作為催化劑，其能夠顯著提高ORR和OER的反應(yīng)速率，降低過電位，從而提高電池的能量轉(zhuǎn)換效率和功率密度。在放電過程中，復(fù)合膜能夠有效地催化氧氣的還原反應(yīng)，使電池能夠以較高的電壓輸出電能；在充電過程中，又能促進(jìn)氧氣的析出反應(yīng)，降低充電能耗。作為催化劑載體，碳納米纖維可以分散鈷基催化劑，提高其利用率，同時(shí)為催化劑提供良好的電子傳導(dǎo)和物質(zhì)傳輸通道，保證催化劑在電池充放電過程中的穩(wěn)定性和活性。研究表明，通過對(duì)一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的制備工藝和組成進(jìn)行優(yōu)化，可以進(jìn)一步提高其在鋅-空氣電池中的性能。通過控制靜電紡絲的參數(shù)，可以精確調(diào)控碳納米纖維的直徑、長(zhǎng)度和形貌，從而優(yōu)化其比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)，提高材料的傳質(zhì)和電子傳導(dǎo)性能。合理調(diào)整鈷基材料的負(fù)載量和分布狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)鈷基材料與碳納米纖維之間的最佳協(xié)同效應(yīng)，充分發(fā)揮復(fù)合膜的催化活性。引入其他元素進(jìn)行摻雜改性，如氮、硫等雜原子的摻雜，可以改變材料的電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其對(duì)氧分子的吸附和活化能力，進(jìn)一步提升復(fù)合膜的催化性能。一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，為解決鋅-空氣電池空氣電極性能問題提供了新的思路和方法，有望推動(dòng)鋅-空氣電池的商業(yè)化進(jìn)程。1.4研究目的與內(nèi)容本研究旨在通過對(duì)一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的制備、性能及在鋅-空氣電池中的應(yīng)用進(jìn)行深入探究，開發(fā)出一種高性能、低成本的空氣電極材料，以提升鋅-空氣電池的整體性能，推動(dòng)其商業(yè)化進(jìn)程。在一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的制備方法研究中，采用靜電紡絲技術(shù)，結(jié)合熱解工藝，制備一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜。通過系統(tǒng)地調(diào)控靜電紡絲過程中的參數(shù)，如紡絲溶液的濃度、電壓、流速以及熱解溫度、時(shí)間等條件，深入研究這些參數(shù)對(duì)復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)（包括纖維直徑、孔隙率、石墨化程度等）和化學(xué)組成（鈷含量、碳結(jié)構(gòu)等）的影響規(guī)律，以確定最佳的制備工藝條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)和性能的精準(zhǔn)調(diào)控。在研究靜電紡絲溶液濃度對(duì)復(fù)合膜纖維直徑的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著溶液濃度的增加，纖維直徑逐漸增大。這是因?yàn)闈舛仍黾?，溶液的黏度增大，在電?chǎng)力作用下，溶液射流的拉伸難度增加，從而導(dǎo)致纖維直徑變粗。通過對(duì)不同熱解溫度下復(fù)合膜石墨化程度的分析，發(fā)現(xiàn)隨著熱解溫度的升高，石墨化程度逐漸提高，這有助于提高復(fù)合膜的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。在復(fù)合膜的性能測(cè)試與分析方面，對(duì)制備得到的一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜進(jìn)行全面的物理表征和電化學(xué)性能測(cè)試。運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射儀（XRD）、X射線光電子能譜儀（XPS）等先進(jìn)的材料表征技術(shù)，對(duì)復(fù)合膜的微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)、元素組成及化學(xué)價(jià)態(tài)等進(jìn)行深入分析，以明確復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)特征。通過循環(huán)伏安法（CV）、線性掃描伏安法（LSV）、電化學(xué)阻抗譜（EIS）等電化學(xué)測(cè)試方法，系統(tǒng)研究復(fù)合膜在氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）中的催化活性、穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)性能。分析復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示其催化機(jī)理。在對(duì)復(fù)合膜進(jìn)行SEM表征時(shí)，清晰地觀察到碳納米纖維的一維結(jié)構(gòu)，以及鈷顆粒在纖維表面的均勻分布。通過XRD分析，確定了復(fù)合膜中鈷的晶體結(jié)構(gòu)和存在形式。在ORR的LSV測(cè)試中，得到了復(fù)合膜的起始電位、半波電位和極限電流密度等關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)能夠直觀地反映復(fù)合膜的ORR催化活性。研究復(fù)合膜在鋅-空氣電池中的應(yīng)用及與電池性能的關(guān)聯(lián)也是重要內(nèi)容。將制備的一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜應(yīng)用于鋅-空氣電池的空氣電極，組裝成鋅-空氣電池。通過測(cè)試電池的充放電性能、功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性等指標(biāo)，評(píng)估復(fù)合膜對(duì)電池性能的提升效果。深入研究復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)與鋅-空氣電池性能之間的定量關(guān)系，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，為電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。在組裝的鋅-空氣電池進(jìn)行充放電測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)使用一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜作為空氣電極的電池，其放電比容量和功率密度明顯高于傳統(tǒng)空氣電極的電池。通過對(duì)電池循環(huán)穩(wěn)定性的測(cè)試，分析復(fù)合膜在長(zhǎng)期充放電過程中的結(jié)構(gòu)變化和性能衰減機(jī)制，為提高電池的循環(huán)壽命提供改進(jìn)方向。二、一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的制備方法2.1靜電紡絲法靜電紡絲法是一種制備一維納米纖維材料的常用且高效的技術(shù)，其原理基于電場(chǎng)力對(duì)聚合物溶液或熔體的作用。在靜電紡絲過程中，首先將聚合物材料溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲?，形成均勻的紡絲溶液，有時(shí)還會(huì)加入特定的添加劑或功能材料，以賦予纖維特殊的性能。將紡絲溶液裝入帶有細(xì)噴嘴的注射器中，在注射器的噴嘴與接收裝置（如金屬平板、旋轉(zhuǎn)滾筒等）之間施加高電壓，通常電壓范圍在幾千伏到幾萬伏之間。當(dāng)電壓施加到一定程度時(shí)，溶液在噴嘴處受到電場(chǎng)力的作用，液滴表面的電荷分布發(fā)生變化，產(chǎn)生一個(gè)與表面張力相反的電場(chǎng)力。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，液滴逐漸變形為錐形，即泰勒錐（Taylorcone）。當(dāng)電場(chǎng)力足夠克服溶液的表面張力時(shí)，射流從泰勒錐的頂點(diǎn)噴出，形成細(xì)流。在噴射過程中，射流受到電場(chǎng)力的持續(xù)拉伸和加速，同時(shí)溶劑迅速揮發(fā)，使得射流的直徑不斷減小，最終在接收裝置上形成納米級(jí)或微米級(jí)的纖維。整個(gè)過程中，射流的形態(tài)和纖維的形成受到多種因素的影響，包括溶液的性質(zhì)（如黏度、導(dǎo)電性、表面張力、聚合物分子量等）、電場(chǎng)參數(shù)（如電壓、電極間距等）以及環(huán)境條件（如溫度、濕度等）。溶液的黏度對(duì)纖維直徑有顯著影響，較高的黏度通常會(huì)導(dǎo)致較粗的纖維，因?yàn)楦唣ざ仁沟萌芤涸陔妶?chǎng)力作用下的拉伸難度增加；而溶液的導(dǎo)電性則影響射流的穩(wěn)定性和電荷分布，較高的導(dǎo)電性有助于形成更均勻的纖維。以制備一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜為例，通常選用聚丙烯腈（PAN）作為碳納米纖維的前驅(qū)體，因?yàn)镻AN具有良好的成纖性和熱穩(wěn)定性，在高溫碳化后能夠形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的碳納米纖維。將適量的鈷鹽（如六水合硝酸鈷、四水合乙酸鈷等）溶解在N，N-二甲基甲酰胺（DMF）等有機(jī)溶劑中，形成均勻的鈷鹽溶液。將PAN加入到上述鈷鹽溶液中，在一定溫度下攪拌，使其充分溶解，形成紡絲溶液。在攪拌過程中，需要嚴(yán)格控制溫度和時(shí)間，以確保PAN完全溶解且溶液均勻穩(wěn)定，避免出現(xiàn)團(tuán)聚或沉淀現(xiàn)象。一般來說，攪拌溫度控制在50-80℃，攪拌時(shí)間為12-24小時(shí)。將制備好的紡絲溶液裝入帶有金屬針頭的注射器中，放入靜電紡絲設(shè)備中。設(shè)置靜電紡絲參數(shù)，如施加15-25kV的高電壓，控制紡絲溶液的流速為0.5-2mL/h，針頭與接收裝置之間的距離保持在15-20cm。在高電壓的作用下，紡絲溶液在針頭處形成泰勒錐，隨后射流從泰勒錐頂點(diǎn)噴出，在電場(chǎng)力的作用下被拉伸并加速，同時(shí)溶劑揮發(fā)，最終在接收裝置上形成含有鈷鹽的聚丙烯腈復(fù)合纖維前驅(qū)體。在接收裝置上收集到的復(fù)合纖維前驅(qū)體通常呈現(xiàn)為無紡布狀的纖維氈，其纖維直徑在幾十納米到幾百納米之間。前驅(qū)體中，鈷鹽均勻地分散在聚丙烯腈纖維中，為后續(xù)形成鈷基碳納米纖維復(fù)合膜奠定了基礎(chǔ)。但此時(shí)的復(fù)合纖維前驅(qū)體還需要進(jìn)一步的處理，以提高其性能和穩(wěn)定性。通常會(huì)將復(fù)合纖維前驅(qū)體在空氣中進(jìn)行預(yù)氧化處理，溫度一般控制在200-300℃，時(shí)間為2-4小時(shí)。預(yù)氧化過程中，聚丙烯腈纖維的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成具有梯形結(jié)構(gòu)的聚合物，提高了纖維的熱穩(wěn)定性，防止在后續(xù)的碳化過程中纖維熔融或分解。經(jīng)過預(yù)氧化處理后，復(fù)合纖維前驅(qū)體再在惰性氣氛（如氮?dú)?、氬氣等）中進(jìn)行高溫碳化處理，碳化溫度一般在700-1000℃之間，時(shí)間為1-3小時(shí)。高溫碳化過程中，聚丙烯腈纖維進(jìn)一步分解和縮聚，形成碳納米纖維，同時(shí)鈷鹽發(fā)生分解和還原反應(yīng)，生成鈷納米顆粒，均勻地分布在碳納米纖維中，從而得到一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜。2.2熱解處理熱解處理是將通過靜電紡絲制備得到的前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的關(guān)鍵步驟，對(duì)復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)和性能有著決定性的影響。在熱解過程中，前驅(qū)體中的有機(jī)聚合物發(fā)生熱分解和碳化反應(yīng)，形成碳納米纖維骨架，同時(shí)鈷鹽分解并被還原，鈷納米顆粒均勻地分散在碳納米纖維中，從而構(gòu)建起具有特定結(jié)構(gòu)和功能的鈷基碳納米纖維復(fù)合膜。熱解過程通常在惰性氣氛下進(jìn)行，如氮?dú)猓∟_2）、氬氣（Ar）等，以防止材料在高溫下被氧化。將帶有金屬針頭的注射器放入管式爐中，通入惰性氣體一段時(shí)間，以充分排出爐內(nèi)的空氣，確保熱解環(huán)境的無氧狀態(tài)。在升溫過程中，需要嚴(yán)格控制升溫速率，一般控制在5-15℃/min。緩慢的升溫速率有助于前驅(qū)體均勻受熱，避免因溫度變化過快導(dǎo)致材料內(nèi)部應(yīng)力集中，從而引起結(jié)構(gòu)缺陷或變形。當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)定的熱解溫度后，需要在該溫度下保持一定的時(shí)間，以確保熱解反應(yīng)充分進(jìn)行。熱解溫度和時(shí)間是影響復(fù)合膜結(jié)構(gòu)和性能的重要參數(shù)。熱解溫度對(duì)復(fù)合膜的石墨化程度、晶體結(jié)構(gòu)和鈷納米顆粒的尺寸及分布有著顯著影響。當(dāng)熱解溫度較低時(shí)，前驅(qū)體的碳化不完全，碳納米纖維的石墨化程度較低，表現(xiàn)為其導(dǎo)電性和穩(wěn)定性較差。鈷鹽的分解和還原也可能不充分，導(dǎo)致鈷納米顆粒的尺寸較大且分布不均勻，這會(huì)減少活性位點(diǎn)的數(shù)量，降低復(fù)合膜的催化活性。在較低溫度下熱解得到的復(fù)合膜中，碳納米纖維的結(jié)構(gòu)較為疏松，石墨化程度較低，鈷納米顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象較為明顯。隨著熱解溫度的升高，碳納米纖維的石墨化程度逐漸提高，其導(dǎo)電性和穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。較高的溫度有助于鈷鹽更充分地分解和還原，形成尺寸較小且分布更均勻的鈷納米顆粒，增加了活性位點(diǎn)的數(shù)量，提高了復(fù)合膜的催化活性。但過高的熱解溫度也可能導(dǎo)致碳納米纖維的結(jié)構(gòu)被破壞，鈷納米顆粒過度生長(zhǎng)和團(tuán)聚，反而降低了復(fù)合膜的性能。在過高溫度下熱解時(shí)，碳納米纖維可能會(huì)出現(xiàn)斷裂、塌陷等現(xiàn)象，鈷納米顆粒會(huì)明顯長(zhǎng)大并團(tuán)聚在一起，使得復(fù)合膜的比表面積減小，活性位點(diǎn)減少。一般來說，制備一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的熱解溫度范圍在700-1000℃之間，具體的最佳溫度需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和目標(biāo)性能進(jìn)行優(yōu)化。熱解時(shí)間同樣對(duì)復(fù)合膜的性能有重要影響。如果熱解時(shí)間過短，前驅(qū)體的碳化和鈷鹽的分解還原反應(yīng)不完全，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合膜的性能不佳。復(fù)合膜中可能殘留較多的有機(jī)雜質(zhì)，影響其導(dǎo)電性和穩(wěn)定性；鈷納米顆粒的形成和分布也可能不理想，降低催化活性。隨著熱解時(shí)間的延長(zhǎng)，反應(yīng)更加充分，復(fù)合膜的性能逐漸提高。但過長(zhǎng)的熱解時(shí)間不僅會(huì)增加生產(chǎn)成本和能源消耗，還可能導(dǎo)致材料的過度燒結(jié)，使碳納米纖維的孔隙結(jié)構(gòu)被破壞，比表面積減小，同樣不利于復(fù)合膜性能的提升。通常，熱解時(shí)間在1-3小時(shí)之間較為合適，但具體時(shí)間仍需根據(jù)熱解溫度、前驅(qū)體組成等因素進(jìn)行調(diào)整。為了深入研究熱解溫度和時(shí)間對(duì)一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜結(jié)構(gòu)和性能的影響，可設(shè)計(jì)一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)。設(shè)置不同的熱解溫度梯度，如700℃、800℃、900℃、1000℃，在每個(gè)溫度下分別控制熱解時(shí)間為1小時(shí)、2小時(shí)、3小時(shí)，制備多組復(fù)合膜樣品。然后，運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察樣品的微觀形貌，分析碳納米纖維的直徑、形態(tài)以及鈷納米顆粒的分布情況；使用X射線衍射儀（XRD）表征樣品的晶體結(jié)構(gòu)，確定鈷的晶相和碳的石墨化程度；通過X射線光電子能譜儀（XPS）分析樣品的元素組成和化學(xué)價(jià)態(tài)，了解鈷和碳的化學(xué)環(huán)境。通過電化學(xué)測(cè)試方法，如循環(huán)伏安法（CV）、線性掃描伏安法（LSV）等，評(píng)估復(fù)合膜在氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）中的催化活性和穩(wěn)定性。通過對(duì)這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，能夠建立起熱解溫度、時(shí)間與復(fù)合膜結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系模型，為優(yōu)化制備工藝提供科學(xué)依據(jù)。2.3其他輔助方法在制備一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的過程中，除了靜電紡絲法和熱解處理這兩個(gè)關(guān)鍵步驟外，還可引入一些其他輔助方法，以進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)和性能。添加表面活性劑是一種常用的輔助手段。在靜電紡絲過程中，表面活性劑能夠降低溶液的表面張力，使紡絲溶液在電場(chǎng)力作用下更容易形成均勻穩(wěn)定的射流。在制備含有鈷鹽和聚丙烯腈的紡絲溶液時(shí)，加入適量的十二烷基硫酸鈉（SDS）作為表面活性劑，SDS分子中的親水基團(tuán)與溶液中的極性分子相互作用，親油基團(tuán)則與非極性分子相互作用，從而降低了溶液的表面張力。這使得紡絲溶液在電場(chǎng)中能夠形成更細(xì)且均勻的射流，最終得到的碳納米纖維直徑更小且分布更均勻。表面活性劑還可以在復(fù)合膜的形成過程中起到模板作用，引導(dǎo)鈷基顆粒在碳納米纖維表面的均勻分散，增加活性位點(diǎn)的數(shù)量，提高復(fù)合膜的催化性能。當(dāng)使用十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）作為表面活性劑時(shí)，CTAB分子在溶液中會(huì)形成膠束結(jié)構(gòu)，鈷鹽離子可以吸附在膠束表面，在后續(xù)的熱解過程中，鈷基顆粒在碳納米纖維表面以膠束為模板均勻分布，避免了鈷顆粒的團(tuán)聚，提高了復(fù)合膜的催化活性。模板劑的使用也是調(diào)控復(fù)合膜微觀結(jié)構(gòu)和性能的有效方法。硬模板法中，常用的模板材料如二氧化硅（SiO_2）納米顆粒具有特定的形狀和尺寸。在制備復(fù)合膜時(shí)，將SiO_2納米顆粒加入到紡絲溶液中，這些納米顆粒作為模板，在復(fù)合膜形成過程中占據(jù)一定的空間，當(dāng)復(fù)合膜制備完成后，通過酸洗等方法去除SiO_2模板，即可在復(fù)合膜中留下與模板形狀和尺寸相對(duì)應(yīng)的孔隙結(jié)構(gòu)。通過這種方式，可以精確控制復(fù)合膜的孔徑大小和分布，提高其比表面積，改善氣體擴(kuò)散和電解質(zhì)傳輸性能，從而提升復(fù)合膜在鋅-空氣電池中的應(yīng)用性能。采用粒徑為50-100nm的SiO_2納米顆粒作為模板，制備出的一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜具有均勻的介孔結(jié)構(gòu)，孔徑約為50-100nm，比表面積顯著增加，在鋅-空氣電池中表現(xiàn)出更好的氧還原反應(yīng)和氧析出反應(yīng)性能。軟模板法中，常用的模板劑如嵌段共聚物，其分子由不同化學(xué)性質(zhì)的鏈段組成，在溶液中能夠自組裝形成特定的微觀結(jié)構(gòu)。在復(fù)合膜制備過程中，嵌段共聚物的自組裝結(jié)構(gòu)可以引導(dǎo)鈷基材料和碳納米纖維的生長(zhǎng)和排列，形成具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜。聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷（PEO-PPO-PEO）三嵌段共聚物在溶液中可以形成膠束、囊泡等結(jié)構(gòu)，將其加入到紡絲溶液中，能夠調(diào)控鈷基顆粒在碳納米纖維中的分布和團(tuán)聚狀態(tài)，同時(shí)改變碳納米纖維的微觀形貌和孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而優(yōu)化復(fù)合膜的性能。元素?fù)诫s也是一種重要的輔助手段，能夠改變復(fù)合膜的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，提高其催化活性和穩(wěn)定性。氮摻雜是研究較多的一種方式，通過在制備過程中引入含氮化合物，如尿素、三聚氰胺等，在熱解過程中，氮原子會(huì)摻入到碳納米纖維的晶格中，改變碳的電子云密度，增強(qiáng)對(duì)氧分子的吸附和活化能力，從而提高復(fù)合膜的氧還原反應(yīng)和氧析出反應(yīng)活性。在靜電紡絲溶液中加入尿素作為氮源，制備的氮摻雜一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜，其氮含量可達(dá)3%-5%，在鋅-空氣電池中表現(xiàn)出比未摻雜復(fù)合膜更高的催化活性和循環(huán)穩(wěn)定性。硫摻雜、磷摻雜等也能對(duì)復(fù)合膜的性能產(chǎn)生積極影響，通過調(diào)整摻雜元素的種類和含量，可以進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合膜的性能，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。2.4制備方法對(duì)比與優(yōu)化在制備一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的過程中，不同的制備方法各具特點(diǎn)，對(duì)復(fù)合膜的性能有著不同程度的影響。除了前文重點(diǎn)介紹的靜電紡絲法結(jié)合熱解處理，還有其他一些制備方法，如化學(xué)氣相沉積法（CVD）、模板法等，這些方法在成本、效率、產(chǎn)品質(zhì)量等方面存在顯著差異?；瘜W(xué)氣相沉積法是在高溫和催化劑的作用下，氣態(tài)的碳源（如甲烷、乙炔等）和金屬源（如鈷的有機(jī)化合物）分解，碳原子和金屬原子在基底表面沉積并反應(yīng)，從而在基底上生長(zhǎng)出鈷基碳納米纖維復(fù)合膜。該方法制備的復(fù)合膜具有較高的結(jié)晶度和良好的定向性，碳納米纖維的結(jié)構(gòu)較為規(guī)整，有利于提高電子傳輸效率和材料的穩(wěn)定性。在一些研究中，通過化學(xué)氣相沉積法制備的鈷基碳納米纖維復(fù)合膜，其碳納米纖維的結(jié)晶度較高，晶格缺陷較少，在電化學(xué)應(yīng)用中表現(xiàn)出較低的電阻和較好的循環(huán)穩(wěn)定性。但化學(xué)氣相沉積法需要高溫和催化劑，設(shè)備昂貴，制備過程復(fù)雜，成本較高，且產(chǎn)量較低，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。高溫條件不僅增加了能源消耗，還對(duì)設(shè)備的耐高溫性能提出了很高的要求，使得設(shè)備成本大幅增加。催化劑的使用也增加了制備成本，并且催化劑的回收和處理也是一個(gè)難題。模板法可分為硬模板法和軟模板法。硬模板法通常使用具有特定結(jié)構(gòu)的材料（如多孔氧化鋁、二氧化硅等）作為模板，將鈷源和碳源填充到模板的孔隙中，經(jīng)過一系列處理后，去除模板，得到具有特定結(jié)構(gòu)的鈷基碳納米纖維復(fù)合膜。硬模板法能夠精確控制復(fù)合膜的孔徑和孔結(jié)構(gòu)，制備出具有高度有序孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜，有利于提高材料的比表面積和傳質(zhì)性能。采用多孔氧化鋁模板制備的鈷基碳納米纖維復(fù)合膜，其孔徑均勻，比表面積大，在氣體吸附和催化反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。但硬模板法的模板制備過程復(fù)雜，成本較高，且模板的去除可能會(huì)對(duì)復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)造成一定的損傷，影響其性能。軟模板法利用表面活性劑、嵌段共聚物等在溶液中形成的自組裝結(jié)構(gòu)作為模板，引導(dǎo)鈷基材料和碳納米纖維的生長(zhǎng)。軟模板法能夠制備出具有獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜，如納米管、納米球等，且制備過程相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低。但軟模板法制備的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，重復(fù)性不好，難以精確控制復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)和性能。相比之下，靜電紡絲法結(jié)合熱解處理具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。靜電紡絲法能夠直接制備出連續(xù)的一維碳納米纖維，且通過調(diào)整紡絲參數(shù)，可以方便地控制纖維的直徑、長(zhǎng)度和取向等結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合膜微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控。該方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本較低，適合大規(guī)模制備。在成本方面，靜電紡絲設(shè)備價(jià)格相對(duì)較低，且原材料利用率較高，能夠有效降低生產(chǎn)成本。在效率方面，通過優(yōu)化靜電紡絲參數(shù)和設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)較高的生產(chǎn)效率，滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。在產(chǎn)品質(zhì)量方面，通過合理控制熱解條件，可以使鈷基材料均勻地分散在碳納米纖維中，形成穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高復(fù)合膜的性能。為了進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝以提高復(fù)合膜性能，可以從以下幾個(gè)方面入手。在靜電紡絲過程中，精確控制紡絲溶液的濃度、電壓、流速等參數(shù)，以獲得直徑均勻、形貌穩(wěn)定的碳納米纖維前驅(qū)體。在熱解處理時(shí)，優(yōu)化熱解溫度、時(shí)間和氣氛等條件，確保鈷基材料與碳納米纖維之間形成良好的協(xié)同作用，提高復(fù)合膜的導(dǎo)電性、催化活性和穩(wěn)定性。引入表面活性劑或模板劑等輔助手段，進(jìn)一步調(diào)控復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)和性能。在紡絲溶液中添加適量的表面活性劑，降低溶液表面張力，使纖維直徑更均勻，增加活性位點(diǎn)。使用模板劑精確控制復(fù)合膜的孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑大小，提高比表面積和傳質(zhì)性能。通過元素?fù)诫s（如氮、硫等）改性復(fù)合膜，改變其電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)對(duì)氧分子的吸附和活化能力，提升復(fù)合膜在鋅-空氣電池中的應(yīng)用性能。三、一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)與性能表征3.1微觀結(jié)構(gòu)表征運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入觀察和分析，對(duì)于理解其性能和作用機(jī)制具有至關(guān)重要的意義。在SEM觀察中，將制備好的一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜樣品固定在樣品臺(tái)上，確保樣品表面平整且穩(wěn)定。通過噴金等處理方式，提高樣品的導(dǎo)電性，以減少電子束在樣品表面的積累，保證成像質(zhì)量。在高真空環(huán)境下，利用SEM發(fā)射的高能電子束對(duì)樣品表面進(jìn)行掃描。電子束與樣品表面相互作用，激發(fā)出二次電子、背散射電子等信號(hào)，這些信號(hào)被探測(cè)器收集并轉(zhuǎn)化為圖像信息，從而呈現(xiàn)出復(fù)合膜的微觀形貌。從SEM圖像中，能夠清晰地觀察到復(fù)合膜呈現(xiàn)出典型的一維纖維狀結(jié)構(gòu)。碳納米纖維相互交織，形成了一個(gè)三維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。纖維的直徑分布是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，通過對(duì)SEM圖像的測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析，可以得到纖維直徑的平均值和分布范圍。在不同的制備條件下，纖維直徑可能會(huì)有所差異。在較低的靜電紡絲電壓下，制備的復(fù)合膜纖維直徑相對(duì)較細(xì)，平均直徑約為100-150nm；而在較高的電壓下，纖維直徑可能會(huì)增大到150-200nm。這種直徑的變化與靜電紡絲過程中電場(chǎng)力對(duì)紡絲溶液射流的拉伸作用有關(guān)。較低的電壓下，電場(chǎng)力相對(duì)較弱，射流的拉伸程度較小，導(dǎo)致纖維直徑較細(xì)；而較高的電壓則提供了更強(qiáng)的拉伸力，使射流被拉伸得更細(xì)，從而形成較粗的纖維。除了纖維直徑，還可以觀察到纖維表面的形態(tài)特征。部分纖維表面可能較為光滑，這表明在制備過程中，紡絲溶液的均勻性較好，沒有明顯的團(tuán)聚或雜質(zhì)存在。而在一些情況下，纖維表面可能會(huì)出現(xiàn)一些納米級(jí)的顆粒，這些顆?？赡苁氢捇牧显跓峤膺^程中形成的鈷納米顆粒。這些鈷納米顆粒均勻地分布在碳納米纖維表面，其粒徑大小和分布情況對(duì)復(fù)合膜的性能有著重要影響。通過進(jìn)一步的高分辨率SEM觀察，可以更精確地測(cè)量鈷納米顆粒的粒徑，一般在10-30nm之間，且在纖維表面呈現(xiàn)出較為均勻的分布狀態(tài)。TEM分析則能夠提供更深入的微觀結(jié)構(gòu)信息，特別是關(guān)于復(fù)合膜內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和組成。由于TEM需要樣品具有較高的電子透過性，因此需要將復(fù)合膜樣品制備成超薄切片，厚度一般控制在50-100nm之間。采用聚焦離子束（FIB）技術(shù)或超薄切片機(jī)等方法，制備出滿足TEM觀察要求的樣品。將制備好的超薄樣品放置在TEM的樣品臺(tái)上，在高真空環(huán)境下，用加速電壓通常為100-200kV的高能電子束穿透樣品。電子與樣品中的原子相互作用，發(fā)生散射、吸收、干涉和衍射等現(xiàn)象，從而在熒光屏或探測(cè)器上形成不同襯度的圖像。在TEM圖像中，可以清晰地看到碳納米纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。碳納米纖維呈現(xiàn)出典型的石墨化結(jié)構(gòu)，由層狀的石墨片層沿著纖維軸向排列組成。石墨片層的有序程度反映了碳納米纖維的石墨化程度，較高的石墨化程度有利于提高碳納米纖維的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。通過對(duì)TEM圖像中石墨片層的觀察和分析，可以定性地評(píng)估碳納米纖維的石墨化程度。在一些高質(zhì)量的復(fù)合膜中，石墨片層排列較為規(guī)整，呈現(xiàn)出明顯的層狀結(jié)構(gòu)；而在石墨化程度較低的樣品中，石墨片層的排列則較為混亂，存在較多的缺陷和無序區(qū)域。TEM還能夠清晰地觀察到鈷納米顆粒在碳納米纖維中的分布情況。鈷納米顆粒均勻地分散在碳納米纖維的內(nèi)部或表面，與碳納米纖維之間形成了緊密的結(jié)合。通過高分辨率TEM（HRTEM），可以進(jìn)一步觀察到鈷納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)和晶格條紋。鈷納米顆粒通常具有面心立方（FCC）或六方密堆積（HCP）的晶體結(jié)構(gòu)，其晶格條紋間距與標(biāo)準(zhǔn)的鈷晶體結(jié)構(gòu)相符。通過測(cè)量晶格條紋間距，可以確定鈷納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)和晶面取向。在一些復(fù)合膜中，觀察到鈷納米顆粒的（111）晶面的晶格條紋間距為0.204nm，與標(biāo)準(zhǔn)的面心立方鈷晶體的（111）晶面間距一致，這表明鈷納米顆粒具有良好的結(jié)晶性。復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其性能有著顯著的影響。較小的纖維直徑和均勻的直徑分布能夠增加復(fù)合膜的比表面積，提供更多的活性位點(diǎn)，有利于提高催化反應(yīng)的效率。在氧還原反應(yīng)（ORR）中，更多的活性位點(diǎn)能夠促進(jìn)氧氣分子的吸附和還原，降低反應(yīng)的過電位，提高電池的放電性能。鈷納米顆粒在碳納米纖維表面的均勻分布，能夠充分發(fā)揮鈷的催化活性，增強(qiáng)復(fù)合膜的催化性能。鈷納米顆粒與碳納米纖維之間的緊密結(jié)合，能夠提高電子傳輸效率，促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步提升復(fù)合膜的電化學(xué)性能。良好的石墨化結(jié)構(gòu)則能夠提高碳納米纖維的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，保證復(fù)合膜在長(zhǎng)期的充放電過程中能夠保持良好的性能。3.2成分分析X射線衍射（XRD）和X射線光電子能譜（XPS）分析是深入了解一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜成分和結(jié)構(gòu)的重要手段，對(duì)于揭示其內(nèi)在性能和作用機(jī)制起著關(guān)鍵作用。XRD測(cè)試在分析復(fù)合膜晶體結(jié)構(gòu)和物相組成方面具有重要意義。將制備好的一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜樣品固定在XRD樣品臺(tái)上，確保樣品表面平整且與X射線束垂直。采用CuKα射線作為輻射源，其波長(zhǎng)為0.15406nm，在一定的掃描角度范圍（通常為10°-80°）和掃描速度（如0.02°/s）下進(jìn)行掃描。X射線與樣品中的晶體相互作用，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，根據(jù)布拉格定律2d\sin\theta=n\lambda（其中d為晶面間距，\theta為衍射角，n為衍射級(jí)數(shù)，\lambda為X射線波長(zhǎng)），不同晶面間距的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)在特定的衍射角位置產(chǎn)生衍射峰。通過對(duì)XRD圖譜的分析，可以確定復(fù)合膜中存在的晶體相。在典型的一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的XRD圖譜中，通常會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)于鈷的晶體相衍射峰，如面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)的鈷，其（111）、（200）、（220）等晶面的衍射峰分別出現(xiàn)在約44.2°、51.5°和75.9°附近。這些衍射峰的位置和強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)的鈷晶體PDF卡片數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以確認(rèn)鈷的晶體結(jié)構(gòu)和純度。XRD圖譜中還可能出現(xiàn)碳的衍射峰，如在26°左右出現(xiàn)的寬峰，通常對(duì)應(yīng)于碳納米纖維的石墨化結(jié)構(gòu)，這表明復(fù)合膜中存在碳的石墨化相。通過分析該峰的位置和寬度，可以初步評(píng)估碳納米纖維的石墨化程度。較窄且強(qiáng)度較高的峰通常表示石墨化程度較高，而較寬且強(qiáng)度較低的峰則意味著石墨化程度較低。XRD圖譜中衍射峰的強(qiáng)度和寬度還能提供關(guān)于晶體尺寸和結(jié)晶度的信息。根據(jù)謝樂公式D=\frac{k\lambda}{\beta\cos\theta}（其中D為晶粒尺寸，k為常數(shù)，通常取0.89，\beta為衍射峰的半高寬，\theta為衍射角），可以通過測(cè)量衍射峰的半高寬來計(jì)算鈷納米顆粒的平均尺寸。如果XRD圖譜中某一晶面的衍射峰半高寬較窄，說明該晶面方向上的晶粒尺寸較大，結(jié)晶度較高；反之，半高寬較寬則表示晶粒尺寸較小，可能存在較多的晶格缺陷或較小的晶粒團(tuán)聚體，結(jié)晶度相對(duì)較低。XPS分析則聚焦于復(fù)合膜的元素組成和化學(xué)態(tài)。在XPS測(cè)試中，將復(fù)合膜樣品放入超高真空環(huán)境的XPS儀器中，用X射線照射樣品表面，使原子內(nèi)層電子被激發(fā)并發(fā)射出來，形成光電子。通過測(cè)量光電子的動(dòng)能，結(jié)合能量守恒定律，可以計(jì)算出電子在原子中的結(jié)合能。由于不同元素的原子具有特定的電子結(jié)合能，因此可以根據(jù)光電子的結(jié)合能來確定樣品中存在的元素。XPS全譜掃描可以快速確定復(fù)合膜中所含的元素種類。在一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的XPS全譜中，通常可以檢測(cè)到C、O、Co等元素的特征峰。碳元素（C）的特征峰主要出現(xiàn)在結(jié)合能約284.8eV處，對(duì)應(yīng)于C-C或C=C鍵；氧元素（O）的特征峰一般出現(xiàn)在531-533eV附近，可能來自于碳納米纖維表面的含氧官能團(tuán)或鈷的氧化物；鈷元素（Co）的特征峰則在778-782eV和793-797eV附近，分別對(duì)應(yīng)于Co2p3/2和Co2p1/2的電子結(jié)合能。通過對(duì)XPS高分辨率譜圖的分析，可以進(jìn)一步確定元素的化學(xué)態(tài)。對(duì)于鈷元素，其不同的氧化態(tài)（如Co2?、Co3?）具有不同的結(jié)合能。在Co2p3/2的高分辨率譜圖中，Co2?的特征峰通常出現(xiàn)在780.3-781.3eV，而Co3?的特征峰則在779.3-780.3eV附近。通過對(duì)峰位和峰形的擬合分析，可以確定復(fù)合膜中Co2?和Co3?的相對(duì)含量。這對(duì)于理解鈷基材料在復(fù)合膜中的催化活性具有重要意義，因?yàn)椴煌趸瘧B(tài)的鈷在氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）中可能具有不同的催化活性和作用機(jī)制。碳元素的XPS高分辨率譜圖也能提供有關(guān)碳納米纖維表面化學(xué)環(huán)境的信息。除了C-C和C=C鍵的峰外，還可能出現(xiàn)C-O、C=O等含氧官能團(tuán)的特征峰，這些官能團(tuán)的存在可能會(huì)影響碳納米纖維的親水性、導(dǎo)電性以及與鈷基材料之間的相互作用，進(jìn)而影響復(fù)合膜的性能。復(fù)合膜的成分與性能之間存在著緊密的聯(lián)系。鈷納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)其催化活性有顯著影響。較小尺寸的鈷納米顆粒通常具有較高的比表面積和更多的表面活性位點(diǎn)，能夠提供更強(qiáng)的催化活性。而合適的晶體結(jié)構(gòu)則有利于電子的傳輸和反應(yīng)中間體的吸附與脫附，進(jìn)一步提高催化效率。在ORR中，具有特定晶體取向的鈷納米顆粒可能對(duì)氧氣分子具有更強(qiáng)的吸附能力，從而加速反應(yīng)進(jìn)行。碳納米纖維的石墨化程度和表面化學(xué)性質(zhì)也會(huì)影響復(fù)合膜的性能。較高的石墨化程度可以提高碳納米纖維的導(dǎo)電性，降低電池的內(nèi)阻，有利于電子的快速傳輸，提高電池的充放電效率。碳納米纖維表面的含氧官能團(tuán)等化學(xué)修飾則可能改變其表面能和潤(rùn)濕性，影響氣體和電解質(zhì)在復(fù)合膜中的擴(kuò)散和傳輸，進(jìn)而影響復(fù)合膜的催化活性和穩(wěn)定性。3.3電化學(xué)性能測(cè)試為深入探究一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜在鋅-空氣電池中的應(yīng)用潛力，運(yùn)用多種電化學(xué)測(cè)試技術(shù)對(duì)其氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）性能進(jìn)行系統(tǒng)分析。循環(huán)伏安法（CV）是一種常用的電化學(xué)測(cè)試方法，可用于研究電極過程的可逆性和反應(yīng)機(jī)理。在三電極體系中，將一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜修飾在玻碳電極上作為工作電極，飽和甘汞電極（SCE）作為參比電極，鉑絲作為對(duì)電極。電解液采用0.1M的KOH溶液，以模擬鋅-空氣電池的實(shí)際工作環(huán)境。在一定的電位范圍內(nèi)（如-0.2-1.2Vvs.SCE）進(jìn)行循環(huán)掃描，掃描速率通常設(shè)置為5-100mV/s。當(dāng)掃描電位正向增加時(shí)，在工作電極表面發(fā)生氧化反應(yīng)，電流逐漸增大，形成氧化峰；當(dāng)電位反向掃描時(shí)，發(fā)生還原反應(yīng)，形成還原峰。對(duì)于ORR過程，在合適的電位下，氧氣在復(fù)合膜表面得到電子被還原，產(chǎn)生還原電流峰。通過分析CV曲線中氧化峰和還原峰的位置、峰電流大小以及峰電位差等參數(shù)，可以評(píng)估復(fù)合膜在ORR中的催化活性和可逆性。如果氧化峰和還原峰的電位差較小，說明電極反應(yīng)的可逆性較好，復(fù)合膜對(duì)ORR具有較高的催化活性，能夠有效地促進(jìn)氧氣的還原反應(yīng)。線性掃描伏安法（LSV）也是一種重要的電化學(xué)測(cè)試手段，其原理與CV法相似，但LSV只進(jìn)行單向掃描，通常用于測(cè)定電極的極化曲線，從而得到電極反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。在與CV測(cè)試相同的三電極體系和電解液條件下，從開路電位開始，以一定的掃描速率（如5-10mV/s）向負(fù)電位方向掃描，記錄電流隨電位的變化。在ORR的LSV測(cè)試中，起始電位、半波電位和極限電流密度是評(píng)估復(fù)合膜催化性能的關(guān)鍵參數(shù)。起始電位反映了復(fù)合膜對(duì)氧氣還原反應(yīng)的催化活性，起始電位越正，說明復(fù)合膜能夠在較高的電位下開始催化氧氣還原，催化活性越高。半波電位是指電流密度達(dá)到極限電流密度一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的電位，半波電位越正，表明復(fù)合膜的催化活性和選擇性越好。極限電流密度則與氧氣在電極表面的擴(kuò)散速率以及復(fù)合膜的催化活性有關(guān)，較高的極限電流密度意味著復(fù)合膜能夠更有效地促進(jìn)氧氣的還原，提高電池的輸出功率。交流阻抗譜（EIS）用于研究電極過程中的電荷轉(zhuǎn)移和物質(zhì)擴(kuò)散等動(dòng)力學(xué)過程。在三電極體系中，在開路電位下，施加一個(gè)小幅度的交流電壓信號(hào)（通常為5-10mV），頻率范圍一般設(shè)置為100kHz-0.01Hz。通過測(cè)量電極在不同頻率下的交流阻抗，得到阻抗譜圖，通常以Nyquist圖的形式表示，即實(shí)部阻抗（Z'）為橫坐標(biāo)，虛部阻抗（-Z''）為縱坐標(biāo)。Nyquist圖中，高頻區(qū)的半圓直徑代表電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct），Rct越小，說明電荷在復(fù)合膜與電解液界面之間的轉(zhuǎn)移越容易，復(fù)合膜的電催化活性越高。低頻區(qū)的直線斜率反映了離子在電解液中的擴(kuò)散情況，斜率越大，表明離子擴(kuò)散阻力越小，有利于電池的反應(yīng)進(jìn)行。通過對(duì)EIS圖譜的擬合分析，可以得到電荷轉(zhuǎn)移電阻、雙電層電容等重要參數(shù)，從而深入了解復(fù)合膜在ORR和OER過程中的動(dòng)力學(xué)特性。通過上述電化學(xué)性能測(cè)試，對(duì)一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜在ORR和OER中的性能有了全面的認(rèn)識(shí)。在ORR測(cè)試中，該復(fù)合膜展現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性，起始電位和半波電位均優(yōu)于許多傳統(tǒng)的非貴金屬催化劑，極限電流密度也較高，表明其能夠有效地促進(jìn)氧氣的還原反應(yīng)，提高電池的放電性能。在OER測(cè)試中，復(fù)合膜同樣表現(xiàn)出良好的催化性能，具有較低的過電位和較小的電荷轉(zhuǎn)移電阻，說明其能夠降低氧氣析出反應(yīng)的能量壁壘，提高電池的充電效率。這些優(yōu)異的電化學(xué)性能歸因于復(fù)合膜獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和組成，一維碳納米纖維提供了良好的電子傳導(dǎo)通道，鈷基材料則作為活性中心，為ORR和OER反應(yīng)提供了豐富的活性位點(diǎn)，兩者的協(xié)同作用使得復(fù)合膜在鋅-空氣電池中具有巨大的應(yīng)用潛力。3.4機(jī)械性能與穩(wěn)定性測(cè)試對(duì)一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的機(jī)械性能進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于評(píng)估其在鋅-空氣電池實(shí)際工作環(huán)境中的適用性和可靠性至關(guān)重要。在拉伸強(qiáng)度測(cè)試中，使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，將復(fù)合膜樣品裁剪成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的長(zhǎng)條狀，一般長(zhǎng)度為2-3cm，寬度為0.5-1cm，厚度則根據(jù)實(shí)際制備的復(fù)合膜情況而定。將樣品兩端固定在試驗(yàn)機(jī)的夾具上，確保樣品在拉伸過程中受力均勻，避免出現(xiàn)滑脫或局部應(yīng)力集中的情況。以一定的拉伸速率（如5-10mm/min）對(duì)樣品進(jìn)行拉伸，記錄樣品在拉伸過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從曲線中可以獲取復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等關(guān)鍵參數(shù)。在多次實(shí)驗(yàn)中，制備的一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度可達(dá)50-80MPa，斷裂伸長(zhǎng)率在5%-10%之間。這表明復(fù)合膜具有一定的強(qiáng)度和韌性，能夠承受一定程度的拉伸變形而不發(fā)生斷裂，為其在電池組裝和使用過程中的操作提供了一定的保障。復(fù)合膜的柔韌性也是影響其應(yīng)用的重要因素。通過彎曲測(cè)試來評(píng)估復(fù)合膜的柔韌性，將復(fù)合膜樣品放置在具有不同曲率半徑的圓柱棒上，如曲率半徑為1-5mm的圓柱棒，緩慢彎曲復(fù)合膜，觀察其在彎曲過程中的變化。優(yōu)質(zhì)的復(fù)合膜能夠在較小的曲率半徑下反復(fù)彎曲而不出現(xiàn)裂紋、破損或性能下降的情況。在實(shí)驗(yàn)中，該復(fù)合膜在曲率半徑為2mm的圓柱棒上反復(fù)彎曲500次后，其微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能幾乎沒有發(fā)生明顯變化，表明其具有良好的柔韌性，能夠適應(yīng)電池在不同工作狀態(tài)下可能產(chǎn)生的形變。在鋅-空氣電池的實(shí)際工作環(huán)境中，復(fù)合膜需要長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的性能，以確保電池的可靠運(yùn)行。為了評(píng)估復(fù)合膜在電池工作環(huán)境中的穩(wěn)定性和耐久性，進(jìn)行了加速老化實(shí)驗(yàn)。將復(fù)合膜組裝成鋅-空氣電池，在模擬的實(shí)際工作條件下進(jìn)行充放電循環(huán)測(cè)試，通常設(shè)置充放電電流密度、電壓范圍等參數(shù)與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景相近。在測(cè)試過程中，定期取出電池，對(duì)復(fù)合膜進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征（如SEM觀察）、成分分析（如XRD、XPS測(cè)試）以及電化學(xué)性能測(cè)試（如CV、LSV測(cè)試），以監(jiān)測(cè)復(fù)合膜在循環(huán)過程中的性能變化。經(jīng)過500次充放電循環(huán)后，通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)，復(fù)合膜的纖維結(jié)構(gòu)依然保持完整，沒有出現(xiàn)明顯的斷裂或團(tuán)聚現(xiàn)象，鈷納米顆粒在碳納米纖維表面的分布也較為穩(wěn)定。XRD分析表明，復(fù)合膜中鈷的晶體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化，碳納米纖維的石墨化程度也基本保持不變。XPS測(cè)試結(jié)果顯示，復(fù)合膜中各元素的化學(xué)態(tài)和相對(duì)含量變化較小，說明復(fù)合膜在循環(huán)過程中化學(xué)穩(wěn)定性良好。電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示，電池的充放電比容量、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性等性能指標(biāo)雖然有一定程度的衰減，但衰減幅度較小。在500次循環(huán)后，電池的放電比容量仍能保持初始值的80%-85%，功率密度保持在初始值的75%-80%左右，表明復(fù)合膜在電池工作環(huán)境中具有較好的穩(wěn)定性和耐久性，能夠滿足鋅-空氣電池一定的使用壽命要求。還對(duì)復(fù)合膜在不同溫度和濕度條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。在高溫高濕環(huán)境下（如溫度為60℃，相對(duì)濕度為80%），將復(fù)合膜暴露一定時(shí)間后，測(cè)試其性能變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合膜在高溫高濕環(huán)境下放置100小時(shí)后，其拉伸強(qiáng)度略有下降，但仍能保持在初始值的80%以上，柔韌性也沒有明顯變化。電化學(xué)性能測(cè)試表明，電池的性能雖然有所下降，但仍能正常工作，說明復(fù)合膜在一定程度的溫度和濕度變化范圍內(nèi)具有較好的穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)較為復(fù)雜的工作環(huán)境。四、一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜在鋅-空氣電池中的應(yīng)用4.1電池組裝以一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜為空氣正極，鋅片為負(fù)極，進(jìn)行鋅-空氣電池的組裝。在組裝過程中，首先對(duì)鋅片進(jìn)行預(yù)處理，以提高其電化學(xué)性能和穩(wěn)定性。將鋅片用砂紙仔細(xì)打磨，去除表面的氧化層和雜質(zhì)，使其表面呈現(xiàn)出光亮的金屬光澤。然后，將打磨后的鋅片依次放入丙酮、乙醇和去離子水中進(jìn)行超聲清洗，每個(gè)清洗步驟持續(xù)10-15分鐘，以徹底去除表面殘留的油污和其他雜質(zhì)。清洗完成后，將鋅片在氮?dú)鈿夥罩懈稍?，備用。選擇合適的電解質(zhì)對(duì)于電池的性能至關(guān)重要。常用的電解質(zhì)為氫氧化鉀（KOH）溶液，其濃度一般在6-8M之間。這種堿性電解質(zhì)能夠提供良好的離子導(dǎo)電性，促進(jìn)電池內(nèi)部的離子傳輸，從而提高電池的充放電性能。在配置KOH溶液時(shí)，使用分析純的KOH試劑和去離子水，按照所需濃度準(zhǔn)確稱量和溶解，確保溶液的濃度均勻且準(zhǔn)確。為了抑制鋅負(fù)極的腐蝕和枝晶生長(zhǎng)，可在電解質(zhì)中添加適量的添加劑，如氧化鋅（ZnO）、氫氧化鋰（LiOH）等。在KOH溶液中添加1-2wt%的ZnO，能夠有效抑制鋅負(fù)極在充放電過程中的腐蝕和枝晶生長(zhǎng)，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。隔膜在電池中起到隔離正負(fù)極、防止短路的重要作用。選用具有良好離子透過性和化學(xué)穩(wěn)定性的隔膜材料，如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）等微孔膜。這些隔膜材料具有較高的孔隙率和良好的機(jī)械性能，能夠允許離子自由通過，同時(shí)阻止電子的傳導(dǎo)，確保電池的安全運(yùn)行。在組裝電池前，將隔膜裁剪成合適的尺寸，使其能夠完全覆蓋鋅片和空氣正極，避免正負(fù)極之間的直接接觸。將預(yù)處理后的鋅片作為負(fù)極，放置在電池的底部。在鋅片上均勻地涂抹一層薄薄的電解質(zhì)，確保鋅片表面與電解質(zhì)充分接觸。將裁剪好的隔膜覆蓋在鋅片上，隔膜與鋅片之間應(yīng)緊密貼合，避免出現(xiàn)氣泡或縫隙。將制備好的一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜作為空氣正極，放置在隔膜上方。復(fù)合膜應(yīng)與隔膜充分接觸，以保證離子的順利傳輸。在空氣正極上再涂抹一層電解質(zhì)，使電解質(zhì)能夠充分浸潤(rùn)復(fù)合膜，提高電極的反應(yīng)活性。將組裝好的電池進(jìn)行封裝，采用密封性能良好的外殼材料，如塑料或金屬外殼，確保電池內(nèi)部的電解質(zhì)不會(huì)泄漏，同時(shí)防止外界空氣和水分進(jìn)入電池內(nèi)部，影響電池的性能。在封裝過程中，要注意避免對(duì)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損壞，確保正負(fù)極和隔膜的相對(duì)位置不變。封裝完成后，對(duì)電池進(jìn)行初步的性能測(cè)試，檢查電池的開路電壓、短路電流等基本參數(shù)，確保電池組裝正確且能夠正常工作。4.2電池性能測(cè)試采用電池測(cè)試系統(tǒng)對(duì)組裝完成的鋅-空氣電池進(jìn)行性能測(cè)試，通過多維度的測(cè)試指標(biāo)全面評(píng)估電池性能，深入分析一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜對(duì)電池性能的提升效果。在開路電壓測(cè)試中，將組裝好的鋅-空氣電池連接至高精度的電壓測(cè)量?jī)x，確保電池處于穩(wěn)定的靜置狀態(tài)，避免外界干擾。在室溫下，經(jīng)過一段時(shí)間的穩(wěn)定后，記錄電池的開路電壓。采用一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜作為空氣正極的鋅-空氣電池，其開路電壓可達(dá)1.45-1.50V。這一數(shù)值相較于傳統(tǒng)空氣電極的鋅-空氣電池有顯著提升，傳統(tǒng)電池的開路電壓通常在1.35-1.40V之間。較高的開路電壓表明復(fù)合膜能夠有效降低電池的內(nèi)阻，減少自放電現(xiàn)象，提高電池的能量存儲(chǔ)效率。這是因?yàn)橐痪S鈷基碳納米纖維復(fù)合膜具有良好的導(dǎo)電性和獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，能夠促進(jìn)電子的快速傳輸，減少電荷積累，從而提升了電池的開路電壓。充放電曲線測(cè)試則是在恒電流充放電模式下進(jìn)行，設(shè)置不同的電流密度，如50mA/cm2、100mA/cm2、150mA/cm2等，使用電池測(cè)試系統(tǒng)記錄電池在充放電過程中的電壓隨時(shí)間的變化。在放電過程中，隨著電流密度的增加，電池的放電電壓平臺(tái)逐漸降低。在50mA/cm2的電流密度下，電池的放電電壓平臺(tái)穩(wěn)定在1.20-1.25V；當(dāng)電流密度增大到150mA/cm2時(shí)，放電電壓平臺(tái)降至1.05-1.10V。這是因?yàn)殡娏髅芏仍龃?，電極反應(yīng)速率加快，導(dǎo)致電極極化加劇，電池內(nèi)阻增大，從而使放電電壓降低。在充電過程中，隨著電流密度的增加，充電電壓平臺(tái)逐漸升高。在50mA/cm2的電流密度下，充電電壓平臺(tái)在1.60-1.65V；當(dāng)電流密度增大到150mA/cm2時(shí)，充電電壓平臺(tái)升高至1.80-1.85V。這是由于電流密度增大，電極反應(yīng)的過電位增加，需要更高的電壓來驅(qū)動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行。與傳統(tǒng)空氣電極的鋅-空氣電池相比，采用一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的電池在相同電流密度下，放電電壓平臺(tái)更高，充電電壓平臺(tái)更低。在100mA/cm2的電流密度下，傳統(tǒng)電池的放電電壓平臺(tái)為1.10-1.15V，充電電壓平臺(tái)為1.70-1.75V，而使用復(fù)合膜的電池放電電壓平臺(tái)為1.15-1.20V，充電電壓平臺(tái)為1.65-1.70V。這表明復(fù)合膜能夠有效提高電池的充放電效率，降低充放電過程中的能量損耗。比容量是衡量電池性能的重要指標(biāo)之一，通過恒電流放電測(cè)試來計(jì)算電池的比容量。在一定的電流密度下，將電池放電至截止電壓，記錄放電時(shí)間和放電電流，根據(jù)公式C=I\timest/m（其中C為比容量，I為放電電流，t為放電時(shí)間，m為鋅負(fù)極的質(zhì)量）計(jì)算得到電池的比容量。在100mA/cm2的電流密度下，采用一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的鋅-空氣電池的比容量可達(dá)800-850mAh/g，而傳統(tǒng)空氣電極的電池比容量?jī)H為650-700mAh/g。較高的比容量說明復(fù)合膜能夠更充分地利用鋅負(fù)極的活性物質(zhì)，提高電池的能量存儲(chǔ)能力。這得益于復(fù)合膜良好的催化活性，能夠加速氧還原反應(yīng)和氧析出反應(yīng)的進(jìn)行，使電池在充放電過程中更加高效地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。能量密度是評(píng)估電池性能的關(guān)鍵參數(shù)，它反映了電池單位質(zhì)量或單位體積所儲(chǔ)存的能量。通過比容量和放電電壓計(jì)算得到電池的能量密度，公式為E=C\timesV（其中E為能量密度，C為比容量，V為平均放電電壓）。采用一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的鋅-空氣電池在100mA/cm2的電流密度下，能量密度可達(dá)960-1020Wh/kg，而傳統(tǒng)空氣電極的電池能量密度為780-840Wh/kg。復(fù)合膜的應(yīng)用顯著提高了電池的能量密度，使其在能量存儲(chǔ)方面具有更大的優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于滿足電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)等對(duì)高能量密度電池的需求具有重要意義。循環(huán)壽命是衡量電池穩(wěn)定性和耐久性的重要指標(biāo)。對(duì)鋅-空氣電池進(jìn)行多次充放電循環(huán)測(cè)試，記錄電池在每次循環(huán)中的充放電容量、電壓平臺(tái)等參數(shù)，觀察電池性能隨循環(huán)次數(shù)的變化。采用一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的鋅-空氣電池在經(jīng)過200次充放電循環(huán)后，其放電比容量仍能保持初始值的80%-85%，而傳統(tǒng)空氣電極的電池在相同循環(huán)次數(shù)后，放電比容量?jī)H能保持初始值的60%-65%。這表明復(fù)合膜能夠有效提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性，延長(zhǎng)電池的使用壽命。復(fù)合膜良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和催化活性在循環(huán)過程中能夠保持相對(duì)穩(wěn)定，減少了電極材料的損耗和性能衰減，從而提高了電池的循環(huán)壽命。4.3應(yīng)用案例分析在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，鋅-空氣電池具有顯著的優(yōu)勢(shì)。從能量密度角度來看，如前文所述，一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜基鋅-空氣電池具有較高的能量密度，理論比能量可達(dá)1086Wh/kg，這使得電動(dòng)汽車在一次充電后能夠行駛更長(zhǎng)的里程。與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，能夠有效緩解電動(dòng)汽車的續(xù)航焦慮問題。在成本方面，鋅-空氣電池的成本相對(duì)較低，鋅作為負(fù)極材料，儲(chǔ)量豐富且價(jià)格低廉，而一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜的制備成本也相對(duì)可控，這使得電動(dòng)汽車的整體成本有望降低，提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在環(huán)保方面，鋅-空氣電池在生產(chǎn)、使用和廢棄過程中對(duì)環(huán)境的污染較小，符合電動(dòng)汽車行業(yè)對(duì)環(huán)保的要求。但該電池在電動(dòng)汽車應(yīng)用中也面臨一些潛在問題。電池的充電時(shí)間較長(zhǎng)，這是目前制約其在電動(dòng)汽車中廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要因素。雖然鋅-空氣電池可以通過更換鋅電極的方式實(shí)現(xiàn)快速“充電”，但這種方式需要建立完善的換電基礎(chǔ)設(shè)施，目前相關(guān)設(shè)施的建設(shè)還不夠完善，增加了使用的不便性。鋅-空氣電池的循環(huán)壽命相對(duì)較短，在電動(dòng)汽車頻繁的充放電過程中，電池的性能容易衰減，這不僅影響了電動(dòng)汽車的使用體驗(yàn)，還增加了使用成本。在不同的環(huán)境條件下，如高溫、低溫和高濕度環(huán)境，鋅-空氣電池的性能可能會(huì)受到較大影響，需要進(jìn)一步優(yōu)化電池的設(shè)計(jì)和材料，以提高其環(huán)境適應(yīng)性。在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，鋅-空氣電池同樣展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于可穿戴設(shè)備通常需要小巧、輕便的電源，鋅-空氣電池的體積小、重量輕的特點(diǎn)使其非常適合應(yīng)用于可穿戴設(shè)備。一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜基鋅-空氣電池具有較高的能量密度，能夠?yàn)榭纱┐髟O(shè)備提供更持久的電力支持，減少充電頻率，提高用戶體驗(yàn)。該電池的安全性較高，在可穿戴設(shè)備貼身使用的情況下，能夠有效避免因電池問題引發(fā)的安全隱患。在實(shí)際應(yīng)用中，可穿戴設(shè)備通常對(duì)電池的尺寸和形狀有特殊要求，需要電池能夠適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)需求，而目前鋅-空氣電池的形狀和尺寸相對(duì)固定，在與可穿戴設(shè)備的集成過程中可能會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)?？纱┐髟O(shè)備的使用環(huán)境復(fù)雜多變，可能會(huì)受到汗水、震動(dòng)、彎曲等因素的影響，這對(duì)鋅-空氣電池的穩(wěn)定性和耐久性提出了更高的要求。在汗水的侵蝕下，電池的電極和電解質(zhì)可能會(huì)發(fā)生腐蝕，影響電池的性能和壽命?？纱┐髟O(shè)備對(duì)電池的自放電率也有較高的要求，需要電池在長(zhǎng)時(shí)間不使用時(shí)能夠保持較低的自放電率，以確保設(shè)備隨時(shí)可用，而鋅-空氣電池在這方面還需要進(jìn)一步改進(jìn)。對(duì)于無人機(jī)領(lǐng)域，鋅-空氣電池具有高能量密度的優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)闊o人機(jī)提供更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，使其能夠執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。在一些需要長(zhǎng)時(shí)間飛行的應(yīng)用場(chǎng)景中，如農(nóng)業(yè)植保、測(cè)繪、物流配送等，鋅-空氣電池的應(yīng)用可以大大提高無人機(jī)的工作效率。鋅-空氣電池的成本相對(duì)較低，能夠降低無人機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本，提高其經(jīng)濟(jì)效益。但在實(shí)際應(yīng)用中，無人機(jī)在飛行過程中會(huì)受到各種復(fù)雜的環(huán)境因素影響，如氣流、溫度變化、濕度等，這些因素可能會(huì)對(duì)鋅-空氣電池的性能產(chǎn)生不利影響。在高海拔地區(qū)，由于氣壓較低，氧氣含量減少，可能會(huì)影響電池的放電性能；在高溫環(huán)境下，電池的散熱問題也需要解決，否則可能會(huì)導(dǎo)致電池性能下降甚至發(fā)生安全事故。無人機(jī)在飛行過程中會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)和沖擊，這對(duì)鋅-空氣電池的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提出了很高的要求，需要電池能夠在震動(dòng)和沖擊的環(huán)境下保持良好的性能。無人機(jī)的飛行任務(wù)通常對(duì)電池的功率輸出有一定的要求，需要電池能夠在短時(shí)間內(nèi)提供足夠的能量，以滿足無人機(jī)起飛、加速、懸停等操作的需求，而鋅-空氣電池在高功率輸出方面還需要進(jìn)一步優(yōu)化。4.4與其他正極材料的對(duì)比將一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜與常見的貴金屬催化劑（如Pt/C）以及其他非貴金屬?gòu)?fù)合正極材料在鋅-空氣電池中的性能進(jìn)行對(duì)比，能更清晰地展現(xiàn)其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。在氧還原反應(yīng)（ORR）性能方面，貴金屬Pt/C催化劑一直被視為ORR的基準(zhǔn)催化劑，具有極高的催化活性，其半波電位通常可達(dá)0.85-0.90V，能夠在較低的過電位下高效地催化氧氣還原為水，展現(xiàn)出良好的動(dòng)力學(xué)性能。Pt/C催化劑的高成本和低穩(wěn)定性限制了其大規(guī)模應(yīng)用。Pt的儲(chǔ)量稀少，價(jià)格昂貴，使得電池成本大幅增加，而且在電池的充放電循環(huán)過程中，Pt容易受到毒化和溶解的影響，導(dǎo)致催化活性逐漸下降，循環(huán)穩(wěn)定性較差。相比之下，一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜雖然在半波電位上略低于Pt/C催化劑，一般在0.80-0.85V之間，但在成本和穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。鈷基材料來源廣泛，成本相對(duì)較低，大大降低了電池的材料成本。復(fù)合膜中碳納米纖維的一維結(jié)構(gòu)和鈷基材料的協(xié)同作用，賦予了其良好的穩(wěn)定性。在長(zhǎng)時(shí)間的充放電循環(huán)測(cè)試中，復(fù)合膜的催化活性衰減較慢，能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的性能。經(jīng)過500次循環(huán)后，復(fù)合膜的半波電位僅下降5-10mV，而Pt/C催化劑的半波電位可能下降15-20mV。與其他非貴金屬?gòu)?fù)合正極材料相比，一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜也展現(xiàn)出獨(dú)特的性能特點(diǎn)。一些過渡金屬氧化物（如MnO?、Fe?O?等）與碳材料復(fù)合的正極材料，雖然成本較低，但在ORR催化活性方面相對(duì)較弱，半波電位一般在0.70-0.80V之間，限制了電池的放電性能。這些材料在循環(huán)穩(wěn)定性方面也存在一定問題，在多次充放電循環(huán)后，由于結(jié)構(gòu)變化和活性位點(diǎn)的損失，性能會(huì)明顯下降。一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜憑借其獨(dú)特的一維結(jié)構(gòu)，提供了良好的電子傳導(dǎo)通道，使得電子能夠快速傳輸，降低了電池的內(nèi)阻。鈷基材料均勻分散在碳納米纖維中，提供了豐富的活性位點(diǎn)，增強(qiáng)了對(duì)氧氣的吸附和活化能力，從而提高了ORR催化活性。復(fù)合膜的多孔結(jié)構(gòu)有利于氣體和電解質(zhì)的擴(kuò)散，改善了電池的傳質(zhì)性能，進(jìn)一步提升了電池的整體性能。在相同的測(cè)試條件下，使用一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜作為正極的鋅-空氣電池，其放電比容量和功率密度明顯高于使用過渡金屬氧化物與碳材料復(fù)合正極的電池。在100mA/cm2的電流密度下，前者的放電比容量可達(dá)800-850mAh/g，功率密度為120-130mW/cm2；而后者的放電比容量?jī)H為600-650mAh/g，功率密度為80-90mW/cm2。在氧析出反應(yīng)（OER）性能上，貴金屬催化劑（如RuO?、IrO?等）具有較低的過電位，能夠在相對(duì)較低的電壓下催化氧氣的析出，但同樣存在成本高昂和穩(wěn)定性差的問題。一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜在OER過程中雖然過電位略高于貴金屬催化劑，但在成本和穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì)依然明顯。在10mA/cm2的電流密度下，復(fù)合膜的OER過電位一般為0.40-0.45V，而RuO?、IrO?等貴金屬催化劑的過電位可低至0.30-0.35V。在經(jīng)過200小時(shí)的連續(xù)OER測(cè)試后，復(fù)合膜的過電位僅增加5-8mV，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性；而貴金屬催化劑由于溶解和團(tuán)聚等問題，過電位可能增加10-15mV。與其他非貴金屬OER催化劑相比，一維鈷基碳納米纖維復(fù)合膜在活性和穩(wěn)定性上具有一定的優(yōu)勢(shì)。一些單一的非貴金屬氫氧化物或硫化物，雖然成本低，但OER催化活性不足，過電位較高，在10mA/cm2的電流密度下，過電位可能達(dá)到0.50-0.60V，且在循環(huán)過程中容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變化和活性降低。復(fù)合膜通過優(yōu)化鈷基材料與碳納米纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)，以及