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李福军和陈军课题组JACS:半导体金属有机聚合物纳米片用于可见光辅助锂-氧气电池
2021-01-21  

Li−O2电池具有理论能量密度大、成本低、结构简单等优势,是一种具有巨大未来发展前景的储能技术。工作原理是基于可逆反应2Li+O2 ↔ Li2O2,理论平衡电压为2.96 V。然而,空气正极缓慢的氧还原(ORR)和氧析出(OER)反应导致了较大的充放电过电位,以及较低的能量效率(<70%)。即使采用高活性电催化剂、氧化还原媒介(RMs)的情况下,电池仍存在较大的充放电电压差(~1.0 V)。因此,采用新的策略来改善Li−O2电池电极极化大的问题是非常必要的。

太阳能的开发和利用对实现碳中和、可持续发展是至关重要的。将光能引入到电化学反应体系中已经取得了一些进展,如:氧还原/析出、CO2还原和N2还原,但光能-电能的直接转换与有效存储仍极具挑战性。近些年,直接将光能在Li−O2电池中进行转换或存储的尝试引起了研究人员的广泛关注,但在Li−O2电池中同时实现高效的电子空穴分离机制,实现同时催化氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER),特别是通过带隙调节利用可见光进行光电催化仍然存在巨大的挑战。


近日,南开大学的李福军研究员、陈军教授与康奈尔大学的Lynden A. Archer教授等课题组合作,设计了一种渡金属−有机高分子(Co−TABQ)纳米片作为Li−O2电池正极双功能催化剂。该材料以Co2+作为中心离子,四氨基苯醌作为配体原位聚合到碳纤维上作为正极催化剂,用于双功能光电催化ORR与OER。在放电过程中,受激发的光电子从Co−TABQ的导带向O2分子转移,从而促进氧气还原产生LiO2最终产生Li2O2,实现高于Li−O2电池理论电位的放电电压;在充电过程中,在可见光照射下位于Co−TABQ价带的光生空穴在外电路电压的作用下驱动OER,将Li2O2氧化为氧气和Li+,从而降低电池的充电电压。这意味着光能在采用半导体正极Co-TABQ的Li−O2电池中得到了利用。



电化学性能测试结果表明:所构建的Li−O2电池在0.10 mA cm-2的电流密度下具有高于理论电位的高放电电压3.12 V和低充电电压3.22 V,并且具有94.0 %的能量效率。这一现象是由于放电和充电过程中光能向电能和化学能的转化。原位Raman测试和DFT计算表明,在光激发下O2分子容易吸附到Co原子上,Co原子的dz2和dxz轨道上的电子向O2分子的π2pz*反键轨道转移,实现了O2分子的活化并伴随着电化学还原为LiO2和Li2O2。这项工作不仅为光能在Li−O2电池中的转化与存储提供了新途径,而且也对光物理与化学、电催化等的结合以及过渡金属−有机聚合物半导体等Li−O2正极催化剂的设计具有重要指导意义。


相关成果发表在J. Am. Chem. Soc. (DOI: 10.1021/jacs.0c11400)上,论文的共同第一作者为南开大学博士研究生吕清良、朱卓。


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