研究背景

 

       太陽(yáng)能的利用對(duì)社會(huì)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(shí)實(shí)現(xiàn)光能向電能和化學(xué)能的轉(zhuǎn)化與有效存儲(chǔ)呢？近日，南開大學(xué)的李福軍團(tuán)隊(duì)基于光激發(fā)ORR與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(jiǎn)介

 

       近年來(lái)，可充電鋅-空氣電池作為一種能源儲(chǔ)存裝置，以其成本低、安全性高、理論能量密度大等優(yōu)勢(shì)引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。其工作原理是基于可逆反應(yīng)2Zn +O2 2ZnO，理論平衡電壓為1.64 V。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(fù)極的鈍化和枝晶生長(zhǎng)以及析氫等問(wèn)題，導(dǎo)致了其實(shí)際放電電壓低于1.2 V、充電電壓高于2.0 V。即使在采用高活性電催化劑、電極保護(hù)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(lái)改善鋅-空氣電池電極極化大的問(wèn)題是非常必要的。

       近幾年，直接將光能在可充電電池中進(jìn)行轉(zhuǎn)換或存儲(chǔ)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(shí)實(shí)現(xiàn)光能向電能和化學(xué)能的轉(zhuǎn)化仍存在機(jī)制認(rèn)識(shí)不清和電極材料缺失的難題。對(duì)此，南開大學(xué)李福軍團(tuán)隊(duì)采用原位負(fù)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與OER，并分別在放電與充電過(guò)程中與多孔鋅負(fù)極構(gòu)成回路。在放電過(guò)程中，PDTB電極受光照，被激發(fā)的光電子進(jìn)入PDTB的導(dǎo)帶，注入O2的分子軌道，從而促進(jìn)ORR，提升電池的放電電壓；在充電過(guò)程中，TiO2電極受光照，價(jià)帶中形成強(qiáng)氧化性的空穴，在外加電壓的作用下驅(qū)動(dòng)OER，同時(shí)光電子通過(guò)外電路傳輸?shù)截?fù)極將ZnO還原為Zn，進(jìn)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(shí)在放電和充電過(guò)程中的光能利用。

       電化學(xué)性能測(cè)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1.90 V和低充電電壓0.59 V（均不受限于熱力學(xué)平衡電位1.64 V），并且即使在10 mA cm-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(guò)程中光能向電能和化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。這項(xiàng)工作不僅為光能在鋅空氣電池中的轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)提供了新途徑，而且也對(duì)光物理與化學(xué)、電催化等的結(jié)合以及功能分子的設(shè)計(jì)與合成具有重要指導(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-excited oxygen reduction and oxygen evolution reactions enabling a high-performance Zn-air battery

 

Dongfeng Du, Shuo Zhao, Zhuo Zhu, Fujun Li*, Jun Chen

 

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

 

       通訊作者簡(jiǎn)介

 

       李福軍，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院特聘研究員，國(guó)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。主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.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等國(guó)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(xiàng)研究最初是什么目的？或者說(shuō)想法是怎么產(chǎn)生的？

 

       A：如上所述，可充電鋅-空氣電池長(zhǎng)期以來(lái)受到充放電過(guò)電位大的難題。常規(guī)的解決方案，如高活性電催化劑、電極保護(hù)和電解液優(yōu)化等，難以從根本上解決問(wèn)題。我們的目標(biāo)就是從改變其電極反應(yīng)過(guò)程入手來(lái)解決這一難題。在眾多的方案中，光能是最為廉價(jià)、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(jìn)電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。所以，我們就聯(lián)想到能否通過(guò)光能直接在鋅-空氣電池中的轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存，從而構(gòu)建高性能的鋅-空氣電池。

 

       Q：研究過(guò)程中遇到哪些挑戰(zhàn)？

 

       A：本研究中最大的挑戰(zhàn)是尋找合適能級(jí)的半導(dǎo)體電極材料用于光激發(fā)OER與ORR，并且能夠在較大的電流密度下實(shí)現(xiàn)光能在鋅-空氣電池中的高效利用。在這個(gè)過(guò)程中，我們花費(fèi)了很長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)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(xiàng)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(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)等方方面面的知識(shí)，這對(duì)我們團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)提出了不小的知識(shí)儲(chǔ)備方面的挑戰(zhàn)，未來(lái)希望有相關(guān)知識(shí)背景的研究者能夠加入到我們團(tuán)隊(duì)，一起將研究推到更高的層次。

 

       Q：該研究成果可能有哪些重要的應(yīng)用？哪些領(lǐng)域的企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)可能從該成果中獲得幫助？

 

       A：該項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了光能在鋅-空氣電池放電與充電兩個(gè)過(guò)程中的同時(shí)高效利用，展現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能。即使是在10 mA cm-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(jìn)一步的研究與開發(fā)。不過(guò)，我們相信這項(xiàng)研究成果將對(duì)光電化學(xué)在電池、催化相關(guān)領(lǐng)域中的直接應(yīng)用與發(fā)展產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。