研究背景

太陽能的利用對社會的可持續(xù)發(fā)展是至關(guān)重要的，將光能引入到經(jīng)典的電化學(xué)反應(yīng)體系中已經(jīng)取得了一定成效。那么，能否在可充電鋅-空氣電池中同時實現(xiàn)光能向電能和化學(xué)能的轉(zhuǎn)化和有效存儲呢？近日，南開大學(xué)的李福軍團隊基于光激發(fā)ORR和OER構(gòu)建了一種夾心三明治結(jié)構(gòu)的高性能鋅-空氣電池。

成果簡介

近年來，可充電鋅-空氣電池作為一種能源儲存裝置，以其成本低、安全性高、理論能量密度大等優(yōu)勢引起了社會的廣泛關(guān)注。其工作原理是基于可逆反應(yīng)2Zn+O22ZnO，理論平衡電壓為1.64V。然而，目前的鋅-空氣電池由于空氣正極緩慢的氧還原（ORR）和氧析出（OER）反應(yīng)、鋅負極的鈍化和枝晶生長以及析氫等問題，導(dǎo)致了其實際放電電壓低于1.2V、充電電壓高于2.0V。即使在采用高活性電催化劑、電極保護和電解液優(yōu)化的策略下，電池仍存在較大的充放電電壓差，導(dǎo)致其能量效率低下。因此，尋找新的策略來改善鋅-空氣電池電極極化大的問題是非常必要的。

近幾年，直接將光能在可充電電池中進行轉(zhuǎn)換或存儲的嘗試引起了研究人員的極大興趣，但如何在鋅-空氣電池中同時實現(xiàn)光能向電能和化學(xué)能的轉(zhuǎn)化仍存在機制認識不清和電極材料缺失的難題。對此，南開大學(xué)李福軍團隊采用原位負載于碳纖維上的聚(1,4-二(2-噻吩基)苯（PDTB）和二氧化鈦（TiO2）半導(dǎo)體作為鋅-空氣電池的正極催化劑，分別用于光激發(fā)ORR和OER，并分別在放電和充電過程中和多孔鋅負極構(gòu)成回路。在放電過程中，PDTB電極受光照，被激發(fā)的光電子進入PDTB的導(dǎo)帶，注入O2的分子軌道，從而促進ORR，提升電池的放電電壓；在充電過程中，TiO2電極受光照，價帶中形成強氧化性的空穴，在外加電壓的用途下驅(qū)動OER，同時光電子通過外電路傳輸?shù)截摌O將ZnO還原為Zn，進而降低電池的充電電壓。這種三明治鋅-空氣電池結(jié)構(gòu)確保了同時在放電和充電過程中的光能利用。

電化學(xué)性能測試結(jié)果表明：所構(gòu)建的鋅空氣電池具有創(chuàng)紀(jì)錄的高放電電壓1.90V和低充電電壓0.59V（均不受限于熱力學(xué)平衡電位1.64V），并且即使在10mAcm-2的電流密度下，放電電壓仍高于充電電壓。這一反常規(guī)的現(xiàn)象是由于放電和充電過程中光能向電能和化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。這項工作不僅為光能在鋅空氣電池中的轉(zhuǎn)化和存儲供應(yīng)了新途徑，而且也對光物理和化學(xué)、電催化等的結(jié)合以及功能分子的設(shè)計和合成具有重要指導(dǎo)意義。

這一成果近期發(fā)表在Angew.Chem.Int.Ed.上，文章的第一作者是南開大學(xué)博士研究生杜東峰。

Photo-excitedoxygenreductionandoxygenevolutionreactionsenablingahigh-performanceZn-airbattery

DongfengDu,ShuoZhao,ZhuoZhu,FujunLi*,JunChen

Angew.Chem.Int.Ed.,2020,DOI:10.1002/anie.202005929

通訊作者簡介

李福軍，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院特聘研究員，國家優(yōu)青。分別于南開大學(xué)（導(dǎo)師，陳軍院士）和香港大學(xué)獲得碩士和博士學(xué)位，先后在日本東京大學(xué)和AIST（2012/01-2015/08）從事博士后研究，2015年入職南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院。重要從事新能源材料和新型電池體系的研究。迄今為止，以第一或通訊作者在Nat.Commun.、Angew.Chem.Int.Ed.、Adv.Mater.、EnergyEnviron.Sci.、NanoLett.、Adv.EnergyMater.、Adv.Funct.Mater.等國際知名期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇。

科研思路分析

Q：這項研究最初是什么目的？或者說想法是怎么出現(xiàn)的？

A：如上所述，可充電鋅-空氣電池長期以來受到充放電過電位大的難題。常規(guī)的解決方法，如高活性電催化劑、電極保護和電解液優(yōu)化等，難以從根本上解決問題。我們的目標(biāo)就是從改變其電極反應(yīng)過程入手來解決這一難題。在眾多的方法中，光能是最為廉價、綠色環(huán)保的能源。并且，目前有不少的光電催化的工作已經(jīng)證明了光的引入能夠促進電化學(xué)反應(yīng)過程。所以，我們就聯(lián)想到能否通過光能直接在鋅-空氣電池中的轉(zhuǎn)換和儲存，從而構(gòu)建高性能的鋅-空氣電池。

Q：研究過程中遇到什么挑戰(zhàn)？

A：本研究中最大的挑戰(zhàn)是尋找合適能級的半導(dǎo)體電極材料用于光激發(fā)OER和ORR，并且能夠在較大的電流密度下實現(xiàn)光能在鋅-空氣電池中的高效利用。在這個過程中，我們花費了很長的時間進行電極材料的選取、結(jié)構(gòu)形貌的調(diào)控、以及電池結(jié)構(gòu)配置的構(gòu)建。此外，這項研究屬于多學(xué)科交叉的研究，其中涉及到經(jīng)典化學(xué)、光化學(xué)、電化學(xué)、反應(yīng)動力學(xué)、材料科學(xué)等方方面面的知識，這對我們團隊來說提出了不小的知識儲備方面的挑戰(zhàn)，未來希望有相關(guān)知識背景的研究者能夠加入到我們團隊，一起將研究推到更高的層次。

Q：該研究成果可能有什么重要的應(yīng)用？什么領(lǐng)域的公司或研究機構(gòu)可能從該成果中獲得幫助？

A：該項研究實現(xiàn)了光能在鋅-空氣電池放電和充電兩個過程中的同時高效利用，展現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能。即使是在10mAcm-2的電流密度下，其放電電壓也能高于充電電壓，是一種反常規(guī)的現(xiàn)象。但目前這一成果尚處于概念型階段，有待進一步的研究和開發(fā)。不過，我們相信這項研究成果將對光電化學(xué)在電池、催化相關(guān)領(lǐng)域中的直接應(yīng)用和發(fā)展出現(xiàn)積極的推動用途。