锌空气电池（ZABs）因其理论能量密度高、安全、低成本和环境友好等原因成为极具前途的清洁能源存储与转化装置。然而，在气体扩散层上负载催化剂的二维电极组装的ZABs性能不理想，即其功率密度峰值难以超过200 mW cm^-2。近年来，三维一体化电极与传统的二维平面阴极相比，表现出了良好的性能，这主要归因于丰富的活性位点和增强的扩散，但没有实验证据。因此，定量化评估电极结构十分重要，这将为进一步优化电极提供指导。

孙晓明课题组应用建立的气泡泵浦散耗计时电流（BPCC）法对超亲气的氮掺杂碳纳米管（P-CoNCNTs-CFP）三维一体化电极进行了系统评价，定量化揭示了三维一体化电极性能优异的原因是更快的气体传输速率和更多的有效活性位点密。通过扩散-消耗理论模型拟合计时电流响应曲线，定量化确定相同催化剂载量下P-CoNCNTs-CFP的气体扩散系数（D）和有效活性位点密度（ρ_EC）分别是传统二维电极（Pt/C-GDL）的4倍和1.3倍。在CoNCNTs的ORR本征活性低于铂碳的情况下（CoNCNTs的ORR半波电位为0.78 V vs. RHE， Pt/C为0.89 V vs. RHE），基于BPCC评价方法，优化P-CoNCNTs-CFP三维一体化电极的浸润性和催化剂密度后，其作为锌-空电池的阴极的功率密度高达245 mW cm^-2，远超Pt/C-GDL作为阴极的142 mW cm^-2。结果表明，除了提高催化剂的本征催化活性外，优化电极结构和润湿性对提高锌-空电池发挥着同等重要的作用。

图1 传统二维电极和三维一体化电极示意图及SEM图像

图2 应用气泡散耗计时电流法探究二维和三维阴极的差异。

图3 催化剂密度对电催化效率的影响

图4 电极浸润性对电催化效率的影响

图5 用于气泡泵浦散耗计时电流法优化锌-空电池中三维电极方案

孙晓明, 北京化工大学化学学院教授、博士生导师。1995年9月考入清华大学化学系2000年和2005年于清华大学化学系获理学学士和理学博士学位。2008年在Stanford University完成博士后研究回国，进入北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室工作。主要从事无机纳米材料化学研究，在电解水、燃料电池和气体超浸润电极器件领域取得进展。正在及曾经主持的科研项目包括国家自然科学基金国际合作重点项目、国家杰出青年基金项目、国家“973”计划课题、国家自然科学基金面上项目等。截至2023年以第一作者及通讯联系人身份在Nature Catalysis, Joule, PNAS, Nat. Commun., Angew. Chem., JACS, Adv. Mater.等国际刊物发表论文150篇，总引用12000余次，他引>10000次。获国家发明专利授权22项，申请国际专利8项。于2015年-2018年被艾斯维尔出版社及评为高引用学者，2015年-2017年被英国皇家化学会选为top 1% 中国高被引学者。

罗亮，北京化工大学化学学院副教授，硕士生导师。2010年在中国科学院福建物质结构研究所/中国科学院化学研究所获得博士学位，同年加入北京化工大学。2013-2014年访问加州大学洛杉矶分校。中国颗粒学会微纳气泡专业委员会委员。主要研究方向为仿生超浸润电极的构筑及多尺度三相界面的原位表征。以第一作者或通讯联系人在Energy Environ. Sci.，Chem，Adv. Funct. Mater., Sci. Bull.等期刊发表SCI论文40余篇。

Li M, Yu L, Liu H, et al. Sourcing the merits of 3D integrated air cathodes for high-performance Zn-air batteries by bubble pump consumption chronoamperometry. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6700-8.