南开李福军教授Angew Chem:光诱导氧气还原反应提升锌-空气电池输出电压
2019-09-02
由于锌-空气电池的成本低、安全性高以及锌的储量丰富，因此锌-空气电池在大规模应用方面具有前景。锌-空气电池的理论输出电压是1.64V，但由于氧气还原反应极化较大，实际输出电压往往低于1.38V，致使锌-空气电池能量密度低。不同的电催化剂被用来降低氧气还原反应极化，提高锌-空气电池的输出电压。然而，即使用炭黑负载铂(Pt/C)，实际输出电压依然比理论值低260 mV。将光引入锌-空气电池来提升氧还原反应动力学和放电电压具有重要意义。
南开大学的李福军教授（通讯作者）等人报道了聚三联噻吩(pTTh)为正极材料的锌-空气电池。它将光能直接转化为电能。在光照下，光电子在pTTh的导带内形成，然后注入到O2的π2p*轨道内使O2还原成HO2-，同时促进负极Zn氧化成ZnO。放电电压显著提高至1.78V，在64h充放电循环内无衰减，对应能量密度较以Pt/C为电极的锌-空气电池增加29%。上述成果近日以“Photo‐Induced Oxygen Reduction Reaction Boosts The Output Voltage of Zn‐Air Battery”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。
总之，pTTh为正极的锌-空气电池的放电电压和能量密度在光照下得到了大幅提升。在放电过程中，光电子在pTTh的导带内生成，然后转移给O2分子，使其还原成不稳定的HO2-。负极Zn被价带内的空穴氧化成ZnO。在光照下，该电池的实际输出电压能达到1.78V，比该电池在无光照条件下的输出电压提高了400 mV。该电池的输出电压在64h的循环过程中没有降低，表明pTTh正极的稳定性优于Pt/C。该锌-空气电池展示了一种全新的反应机理，能够直接将光能转化为电能，为太阳能的利用提供了新思路。
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