可充金屬鋅-空氣電池由于高安全性、低成本（<10 $/kWh）和高理論能量密度（1086 Wh kg^-1）等特點成為備受關(guān)注的下一代儲能系統(tǒng)。然而，較差的循環(huán)壽命是限制可充金屬鋅-空氣電池規(guī)模化應用關(guān)鍵因素。一方面，常用的堿性電解液易吸收CO₂形成不溶碳酸鹽，阻礙傳質(zhì)過程；堿性溶液中鋅負極在存在嚴重枝晶問題，導致電池循環(huán)壽命低下。另一方面，用于加快空氣正極氧電催化動力學的雙功能催化劑在交替充放電過程中容易失效。

在此，中國科學院大學張?zhí)烊桓苯淌谂c新加坡國立大學的Jim Yang Lee教授團隊提出了一種”自解耦”策略，通過在單一空氣電極中構(gòu)建智能界面，使雙功能催化劑在充放電過程中實現(xiàn)功能解耦，從而顯著催化劑的穩(wěn)定性。具體來說，將導電性可調(diào)控的磺酸摻雜聚苯胺納米陣列（S-PANI）沉積于空氣電極的一側(cè)構(gòu)成智能界面，并將雙功能催化劑分為ORR-part和OER-part兩部分，ORR-part催化劑涂敷于S-PANI側(cè)朝向空氣，OER-part催化劑則涂敷于無S-PANI的另一側(cè)朝向電解質(zhì)。

在高電位條件下（充電過程），S-PANI智能層導電性很差，ORR-part催化劑由于較大的界面電阻而保持非活性，防止了ORR-part催化劑電氧化失效；而OER-part催化劑不受S-PANI的影響起主要加快氧析出反應（OER）作用。在低電位條件下（放電過程），S-PANI智能層變得導電，ORR-part催化劑與S-PANI間的電子轉(zhuǎn)移通暢，此時活性受保護的ORR-part催化劑會起到促進氧還原反應（ORR）的作用。

圖1. ZnCo基/NCs的電催化性能

總之，該工作通過電沉積聚合方法，在空氣電極（碳紙）的一側(cè)制備磺酸摻雜聚苯胺（S-PANI）納米陣列。利用DC電子導電性測試、原位紫外可見光譜測試以及密度泛函理論計算證實S-PANI在高電位下導電性很差，而在低電位下具有很好的導電性，意味著S-PANI智能界面的導電性隨著電位的不同而改變，可用于現(xiàn)實催化劑性能在充放電過程中的”自解耦”。通過該設(shè)計，在連續(xù)的充放電過程中可避免雙功能催化劑活性受高電位的影響而降低。

基于智能界面空氣電極以及低成本ZnCo磷化物/氮摻雜碳雙功能催化劑組裝的“自解耦”弱酸性可充鋅-空氣電池可穩(wěn)定循環(huán)～1400小時，每循環(huán)能量效率損失率僅為0.015%，顯著優(yōu)于常規(guī)弱酸性可充鋅-空氣電池。因此，該項工作為解決交替氧化-還原過程引發(fā)的不穩(wěn)定性問題提供了新思路，表明了智能納米結(jié)構(gòu)設(shè)計對于可持續(xù)二次電池發(fā)展的重要性。

圖2. “自解耦”弱酸性可充鋅-空氣電池的電化學性能

Self-Decoupled Oxygen Electrocatalysis for Ultrastable Rechargeable Zn-Air Batteries with Mild-Acidic Electrolyte, ACS Nano 2023 DOI: 10.1021/acsnano.3c05845