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

【引言】

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。

【成果简介】

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π_2p*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。

【图文导读】

图1.

(a) (b)pTTh的SEM图。插图是碳纸(CP)的SEM图。

(c)pTTh的TEM图。插图是SAED图。

(d)pTTh的UV-Vis吸收谱图。

(e)pTTh的Mott-Schottky 曲线。

(f)pTTh的能级和O₂的分子轨道的示意图。

图2.

(a)(b)pTTh的氧气还原反应(a)和析氧反应(b)的线性扫描伏安曲线。

(c)pTTh的旋转环盘电极伏安图。

(d)pTTh的氧气还原反应的H₂O₂产率和电子转移数。

(e)pTTh的氧气还原反应的中间产物的能线图。

图3.

(a)锌负极在充放电过程的产物XRD图。

(b)锌-空气电池的充放电过程示意图。

(c)光诱导的锌-空气电池工作原理图。

图4.

(a)分别以pTTh、CP和Pt/C为正极的锌-空气电池充放电曲线。

(b)三种正极的不同电流密度下的放电电压。

(c)pTTh为正极的锌-空气电池光响应图。

(d)三种锌-空气电池的循环性能。

【小结】

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。

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

团队简介

李福军研究员，博导，国家优青，分别于南开大学（导师，陈军院士）和香港大学获得硕士和博士学位，先后在日本东京大学和AIST（2012/01-2015/08）从事博士后研究，2015年9月加入南开大学先进能源材料化学教育部重点实验室。在锂/钠/钾离子电池、金属空气电池等方向开展研究工作，取得了一系列创新性的研究成果，以第一或通讯作者发表论文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

李福军研究员课题组主要从事新能源材料和新型电池体系的研究。研究领域涵盖了物理化学，无机化学，能源材料化学等众多领域，并且在相关研究方向具有良好的研究基础。研究兴趣包括：1. 金属空气电池；2. 锂/钠离子电池；3. 功能纳米材料。

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