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随着能源消耗和环境污染等问题的增多，可再生清洁能源和先进的储能技术的发展迫在眉睫。与普遍关注的锂离子电池和氢氧燃料电池相比，金属空气电池具有能量密度高、制备成本低、燃料储存/运输安全及绿色无污染等优点。然而，金属空气电池在实际的应用中仍受到诸多问题限制，就空气电极来说，主要有以下几方面:催化材料本征活性过低、氧气在催化剂/电解质界面传输缓慢及催化剂层电子传输受限。故而，选择高活性的电催化材料、设计合理的电极结构，这两者对于增强氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)动力学都是必不可少的。
就空气电极的设计而言，其既要有助于暴露催化材料的活性位点，又要能增大三相界面的面积。这是实现电极高效的质量传输速率，以及增强电化学反应动力学的关键。
本课题中，制备的空气电极主要由嵌入钴金属的氮掺杂碳纳米管阵列构筑而成。该电极材料具有高的比表面积，有助于活性位点的暴露;另外，碳纳米管和碳纸之间直接接触，有利于电子传输，并且动力学将得到改善;特别地，为了改善空气电极中的气体和液相传质，我们采用PTFE对电极材料表面的浸润性进行调控，其中梯度浸润性电极(0.8-CoNCNTs/CP，0.8代表所用PTFE的百分含量)有助于三相界面的形成，为氧气的吸附和转换提供了重要场所。将0.8-CoNCNTs/CP电极应用到液态铝空气电池进行测试，结果表明:在10mA·cm-2的放电电流密度下，其工作寿命优于Pt/C，且其最大功率密度达到了159.6mW·cm-2，说明0.8-CoNCNTs/CP在铝空气电池的应用中具有优越性。这项研究工作为低成本、高性能的空气电极的制备开辟了一种可行的方法。
本课题还将单原子铁、钴、氮共掺杂碳材料同轴包覆在阵列化的碳纳米管上形成具有双功能的空气电极(NiCNTs@FeCoNC/CP)，然后初步探究了该电极本征活性。结果表明，NiCNTs@FeCoNC/CP的ORR/OER过电位(0.870V)与Pt/C+IrO2的过电位(0.875V)相当。为了进一步提高NiCNTs@FeCoNC/CP的性能，在其合成过程引入锌并增加900℃焙烧，这不但协助形成单原子位点，同时提高了材料的导电性。对应的结果表明，相较于贵金属Pt/C+IrO2基锌空气电池，NiCNTs@FeCoNC/CP-1基锌空电池的长期充放电电压具有一定的优势。此外，对电极表面的初步的浸润性调控(NiCNTs@FeCoNC/CP-2)表明，其对电池性能的改善也有一定作用。因此，在推进锌空气电池的商业化应用方面，这种操作简单、低成本且阵列化的双功能空气电极的制备方案有相当高的可行性。
就空气电极的设计而言，其既要有助于暴露催化材料的活性位点，又要能增大三相界面的面积。这是实现电极高效的质量传输速率，以及增强电化学反应动力学的关键。
本课题中，制备的空气电极主要由嵌入钴金属的氮掺杂碳纳米管阵列构筑而成。该电极材料具有高的比表面积，有助于活性位点的暴露;另外，碳纳米管和碳纸之间直接接触，有利于电子传输，并且动力学将得到改善;特别地，为了改善空气电极中的气体和液相传质，我们采用PTFE对电极材料表面的浸润性进行调控，其中梯度浸润性电极(0.8-CoNCNTs/CP，0.8代表所用PTFE的百分含量)有助于三相界面的形成，为氧气的吸附和转换提供了重要场所。将0.8-CoNCNTs/CP电极应用到液态铝空气电池进行测试，结果表明:在10mA·cm-2的放电电流密度下，其工作寿命优于Pt/C，且其最大功率密度达到了159.6mW·cm-2，说明0.8-CoNCNTs/CP在铝空气电池的应用中具有优越性。这项研究工作为低成本、高性能的空气电极的制备开辟了一种可行的方法。
本课题还将单原子铁、钴、氮共掺杂碳材料同轴包覆在阵列化的碳纳米管上形成具有双功能的空气电极(NiCNTs@FeCoNC/CP)，然后初步探究了该电极本征活性。结果表明，NiCNTs@FeCoNC/CP的ORR/OER过电位(0.870V)与Pt/C+IrO2的过电位(0.875V)相当。为了进一步提高NiCNTs@FeCoNC/CP的性能，在其合成过程引入锌并增加900℃焙烧，这不但协助形成单原子位点，同时提高了材料的导电性。对应的结果表明，相较于贵金属Pt/C+IrO2基锌空气电池，NiCNTs@FeCoNC/CP-1基锌空电池的长期充放电电压具有一定的优势。此外，对电极表面的初步的浸润性调控(NiCNTs@FeCoNC/CP-2)表明，其对电池性能的改善也有一定作用。因此，在推进锌空气电池的商业化应用方面，这种操作简单、低成本且阵列化的双功能空气电极的制备方案有相当高的可行性。