南開李福軍教授Angew Chem:光誘導氧氣還原反應提升鋅-空氣電池輸出電壓

【引言】

由于鋅-空氣電池的成本低、安全性高以及鋅的儲量豐富，因此鋅-空氣電池在大規模應用方面具有前景。鋅-空氣電池的理論輸出電壓是1.64V，但由于氧氣還原反應極化較大，實際輸出電壓往往低于1.38V，致使鋅-空氣電池能量密度低。不同的電催化劑被用來降低氧氣還原反應極化，提高鋅-空氣電池的輸出電壓。然而，即使用炭黑負載鉑(Pt/C)，實際輸出電壓依然比理論值低260 mV。將光引入鋅-空氣電池來提升氧還原反應動力學和放電電壓具有重要意義。

【成果簡介】

南開大學的李福軍教授（通訊作者）等人報道了聚三聯噻吩(pTTh)為正極材料的鋅-空氣電池。它將光能直接轉化為電能。在光照下，光電子在pTTh的導帶內形成，然后注入到O₂的π_2p*軌道內使O₂還原成HO₂^-，同時促進負極Zn氧化成ZnO。放電電壓顯著提高至1.78V，在64h充放電循環內無衰減，對應能量密度較以Pt/C為電極的鋅-空氣電池增加29%。上述成果近日以“Photo‐Induced Oxygen Reduction Reaction Boosts The Output Voltage of Zn‐Air Battery”為題發表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文導讀】

圖1.

(a) (b)pTTh的SEM圖。插圖是碳紙(CP)的SEM圖。

(c)pTTh的TEM圖。插圖是SAED圖。

(d)pTTh的UV-Vis吸收譜圖。

(e)pTTh的Mott-Schottky 曲線。

(f)pTTh的能級和O₂的分子軌道的示意圖。

圖2.

(a)(b)pTTh的氧氣還原反應(a)和析氧反應(b)的線性掃描伏安曲線。

(c)pTTh的旋轉環盤電極伏安圖。

(d)pTTh的氧氣還原反應的H₂O₂產率和電子轉移數。

(e)pTTh的氧氣還原反應的中間產物的能線圖。

圖3.

(a)鋅負極在充放電過程的產物XRD圖。

(b)鋅-空氣電池的充放電過程示意圖。

(c)光誘導的鋅-空氣電池工作原理圖。

圖4.

(a)分別以pTTh、CP和Pt/C為正極的鋅-空氣電池充放電曲線。

(b)三種正極的不同電流密度下的放電電壓。

(c)pTTh為正極的鋅-空氣電池光響應圖。

(d)三種鋅-空氣電池的循環性能。

【小結】

總之，pTTh為正極的鋅-空氣電池的放電電壓和能量密度在光照下得到了大幅提升。在放電過程中，光電子在pTTh的導帶內生成，然后轉移給O₂分子，使其還原成不穩定的HO₂^-。負極Zn被價帶內的空穴氧化成ZnO。在光照下，該電池的實際輸出電壓能達到1.78V，比該電池在無光照條件下的輸出電壓提高了400 mV。該電池的輸出電壓在64h的循環過程中沒有降低，表明pTTh正極的穩定性優于Pt/C。該鋅-空氣電池展示了一種全新的反應機理，能夠直接將光能轉化為電能，為太陽能的利用提供了新思路。

文獻鏈接：Photo‐Induced Oxygen Reduction Reaction Boosts The Output Voltage of Zn‐Air Battery（Angew. Chem. Int. Ed.?,2019,DOI:10.1002/anie.201905954）

團隊簡介

李福軍研究員，博導，國家優青，分別于南開大學（導師，陳軍院士）和香港大學獲得碩士和博士學位，先后在日本東京大學和AIST（2012/01-2015/08）從事博士后研究，2015年9月加入南開大學先進能源材料化學教育部重點實驗室。在鋰/鈉/鉀離子電池、金屬空氣電池等方向開展研究工作，取得了一系列創新性的研究成果，以第一或通訊作者發表論文40余篇。包括1篇Nature Communications、3篇Angewandte Chemie、2篇Advanced Materials、4篇Energy Environmental Science、4篇Advanced Energy Materials、1篇Nano Letters、1篇Advanced Functional Materials等。

研究方向

李福軍研究員課題組主要從事新能源材料和新型電池體系的研究。研究領域涵蓋了物理化學，無機化學，能源材料化學等眾多領域，并且在相關研究方向具有良好的研究基礎。研究興趣包括：1. 金屬空氣電池；2. 鋰/鈉離子電池；3. 功能納米材料。

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