趙勇教授課題組在JACS報道鋰氧氣電池新進展

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近期,我校特種功能材料教育部重點實驗室、材料學院趙勇教授課題組,在鋰氧氣電池領域取得新進展,相關成果以“Promoting Surface-Mediated Oxygen Reduction Reaction of Solid Catalysts in Metal-O2 Batteries by Capturing Superoxide Species”為題,以全文形式在國際化學頂級期刊《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)上發表。實驗室張鵬博士為論文第一作者,趙勇教授為論文通訊作者。

鋰氧氣電池因其具有超高的理論能量密度,而受到全世界的廣泛關註。在電池放電過程中,由於正極固體催化劑表面覆蓋著一層由吸附態超氧化鋰中間體產生的致密、絕緣的膜狀放電產物(過氧化鋰),導致固體催化劑驅動的氧還原反應容易終止,影響電池的容量和倍率性能的提高。如何從正極表面捕獲和穩定超氧化鋰中間體,提高電極表面氧還原反應速率和電池容量,是鋰氧氣電池領域的一項挑戰。

圖(a):表面氧還原反應機制(吸附超氧化鋰中間體產生的致密、絕緣的放電產物過氧化鋰薄膜,造成固體催化劑驅動的氧還原反應容易終止);(b):仿生酶-輔酶協同氧還原反應機制(電解液中的蒽醌分子 (AQ) 和電極中的固體催化劑構成瞭這一協同催化體系,其中 AQ 作為輔助催化劑從固體催化劑表面捕獲、轉移吸附態的超氧化物)。

在該研究工作中,趙勇課題組借助“自然界中輔酶因子傳遞電子或質子加速酶促反應”這一原理,提出瞭“仿生酶-輔酶協同氧還原催化反應”的概念。通過在電解液中加入能夠捕獲超氧化物的分子,抑制正極表面致密過氧化鋰膜的生成,促進固態催化劑表面氧還原反應過程。通過系統研究醌類分子結合和捕獲超氧化鋰(O2-或LiO2)的能力,證實瞭“酶-輔酶協同催化”提升電池氧還原反應速率的可行性。該研究工作為提升電池的綜合性能提供瞭新的研究思路和技術手段(J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.8b13568)。

本工作得到瞭中組部、國傢自然科學基金委、河南省科技廳、河南省教育廳和河南大學的大力支持。Journal of the American Chemical Society是化學領域的頂級期刊,最新影響因子為14.357。

論文鏈接:https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.8b13568