Page 69 - 《精细化工》2022年第11期
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第 11 期 余 澎，等: 碳纳米管阵列在电化学中的应用 ·2219·
活性，半波电位为 0 V。此外，由其制得的锌空气 其具有大的电池容量和功率密度、良好的持久
电池电极即使在极端弯曲条件下也能表现出优异的 稳定性和弯曲性能，优于贵金属基空气电极。
柔韧性。LIU 等 [36] 在柔性碳纤维布上制备了包覆钴 2.1.4 燃料电池
纳米粒子的 NCNTA，用作柔性锌空气电池的自支撑 燃料电池因其能量转化效率高、污染低、燃料
电极，该电极具有高导电性、多活性位点等优点， 来源广等优点，已成为新能源研究的热点 [41] 。然而，
具有良好的电催化活性。LI 等 [37] 不使用基底，采用 电催化剂活性较低、价格昂贵，这一直是燃料电池
自支撑的 NCNTA 电极作为空气阴极，也成功地制 大规模商业化应用的主要障碍。如何提高催化剂的
备了一种柔性、可充电的全固态锌空气电池，该电 活性和利用率、减少其用量是目前燃料电池电催化
池具有良好的充放电性能和机械稳定性。ZHU 等 [38] 剂研究的重点。CNTA 因其大的比表面积、高的电
通过简单的溶液反应和退火工艺设计了嵌入受限 子导电性、优良的化学和电化学稳定性等可作为燃
Co 纳米粒子（HCA-Co）的中空 NCNTA。HCA-Co 料电池极具潜力的电催化剂。LI 等 [42] 利用可见光辅
作为柔性全固态锌空气电池的无黏结剂空气阴极具 助多重伏安法制备了覆盖光电聚合双酚 A（PBPA）
有较高的开路电位（1.40 V），循环稳定性也优于 薄膜的 SWCNT 阵列，将其作为光电阳极和阴极催
Pt/C 基电池。XIA 等 [39] 研究了一种三维垂直排列碳纳 化剂时，制备的抗坏血酸/O 2 燃料电池性能显著提
米管阵列支持镍铁氧体杂化电极（NiFeO x@VACNT）， 高。YU 等 [43] 通过注射辅助 CVD 方法，以二茂铁、
采用这种集成空气电极的可充电锌空气电池，峰值 吡啶和三苯基膦为前驱体，合成了共掺杂 P 和 N 的
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功率密度可达 194 mW/cm ，在 5 mA/cm 的电流密 垂直排列 MWCNT 阵列（PN-ACNT）。PN-ACNT
度下可稳定循环 1500 h 以上，在高放电功率密度 成本低、效率高，可用作碱性燃料电池的催化剂及
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（143 mW/cm ）下，独立式氧电极组装的柔性固态 其他电化学还原系统。与随机排列 CNT 上的 Pt 相
锌空气电池在弯曲条件下也表现出稳定的放电电 比，具有垂直排列结构的 CNT 提供了更好的 Pt 利
压。金属-有机框架具有丰富的碳、氮和过渡金属以 用率，ZHANG 等 [44] 在垂直排列的 CNTA 上沉积不
及均匀的多孔结构，被认为最具发展潜力。JI 等 [40] 同负载量的 Pt 纳米粒子，将其作为质子交换膜
利用溶液浸渍法在静电纺纳米纤维上构建了金属- （PEM）燃料电池电催化剂，垂直排列的 CNTA 不
有机框架，加入三聚氰胺将其进一步高温炭化，可 仅能提供与质子交换膜电解质的最佳电接触，还能
以获得由碳纳米纤维膜支撑的氮、钴掺杂的碳纳米 提供高透气性，这有助于催化剂活性部位自由进入
管阵列 / 多 孔碳（ CoNCNTF/CNF ）薄膜。采用 反应气体，从而提高了燃料电池的效率。WEN 等 [45]
CoNCNTF/CNF 薄膜的无添加剂空气电极的柔性固 开发了一种高度排列取向的 CNTA 的制备方法，将
态锌空气电池见图 6。 Pt 纳米粒子固定在 CNT 的内外壁上，从而形成了
壳-核-壳状纳米管复合材料（Pt-CNT-Pt）。有序的
CNT 能使 Pt 纳米粒子均匀地附着在其管壁上，提供
了更多的活性位点，这种材料比商用炭黑负载 Pt 具
有更好的催化性能。GONG 等 [46] 在碱性燃料电池中，
垂直排列的含氮 CNT（VA-NCNT）可以作为一种无
金属电极，在氧还原方面比 Pt 具有更好的电催化活
性、长期运行稳定性和对交叉效应的耐受性。
2.2 在超级电容器中的应用
与普通电池相比，超级电容器具有大的功率密
度 [47] 、长的使用寿命和绿色环保等优点，适用于备
用电源和混合能量存储系统。由 CNT 制备的超级电
容器电极材料具有优异的导电性能，是一种理想的
电极材料 [48] 。LUO 等 [49] 采用开放式 CNTA 作为电极
材料构建超级电容器，结果发现，其比容量明显高
于随机排列 CNT 作为电极材料的比容量。
图 6 柔性固态锌空气电池示意图（a）；CoNCNTF/CNF 虽然超级电容器具有快速充放电的能力，但其
薄膜恒流充放电循环曲线（b） [40] 低能量密度仍很大程度地阻碍了其实际应用。因此，
Fig. 6 Schematic diagram of flexible solid-state zinc-air
battery (a); Constant current charge-discharge cycle 进行高能量密度、快充放电倍率和长循环寿命的超
curve of CoNCNTF/CNF thin film (b) [40] 级电容器的设计和制备具有重要意义 [50-52] 。ZHANG
