研究背景

 

       太阳能的利用对社会的可持续发展是至关重要的，将光能引入到经典的电化学反应体系中已经取得了一定成效。那么，能否在可充电锌-空气电池中同时实现光能向电能和化学能的转化与有效存储呢？近日，南开大学的李福军团队基于光激发ORR与OER构建了一种夹心三明治结构的高性能锌-空气电池。

 

       成果简介

 

       近年来，可充电锌-空气电池作为一种能源储存装置，以其成本低、安全性高、理论能量密度大等优势引起了社会的广泛关注。其工作原理是基于可逆反应2Zn +O2 2ZnO，理论平衡电压为1.64 V。然而，目前的锌-空气电池由于空气正极缓慢的氧还原（ORR）和氧析出（OER）反应、锌负极的钝化和枝晶生长以及析氢等问题，导致了其实际放电电压低于1.2 V、充电电压高于2.0 V。即使在采用高活性电催化剂、电极保护和电解液优化的策略下，电池仍存在较大的充放电电压差，导致其能量效率低下。因此，寻找新的策略来改善锌-空气电池电极极化大的问题是非常必要的。

       近几年，直接将光能在可充电电池中进行转换或存储的尝试引起了研究人员的极大兴趣，但如何在锌-空气电池中同时实现光能向电能和化学能的转化仍存在机制认识不清和电极材料缺失的难题。对此，南开大学李福军团队采用原位负载于碳纤维上的聚(1,4-二(2-噻吩基)苯（PDTB）和二氧化钛（TiO2）半导体作为锌-空气电池的正极催化剂，分别用于光激发ORR与OER，并分别在放电与充电过程中与多孔锌负极构成回路。在放电过程中，PDTB电极受光照，被激发的光电子进入PDTB的导带，注入O2的分子轨道，从而促进ORR，提升电池的放电电压；在充电过程中，TiO2电极受光照，价带中形成强氧化性的空穴，在外加电压的作用下驱动OER，同时光电子通过外电路传输到负极将ZnO还原为Zn，进而降低电池的充电电压。这种三明治锌-空气电池结构确保了同时在放电和充电过程中的光能利用。

       电化学性能测试结果表明：所构建的锌空气电池具有创纪录的高放电电压1.90 V和低充电电压0.59 V（均不受限于热力学平衡电位1.64 V），并且即使在10 mA cm-2的电流密度下，放电电压仍高于充电电压。这一“反常规”的现象是由于放电和充电过程中光能向电能和化学能的转化。这项工作不仅为光能在锌空气电池中的转化与存储提供了新途径，而且也对光物理与化学、电催化等的结合以及功能分子的设计与合成具有重要指导意义。

       这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章的第一作者是南开大学博士研究生杜东峰。

 

       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

 

       通讯作者简介

 

       李福军，南开大学化学学院特聘研究员，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年入职南开大学化学学院。主要从事新能源材料和新型电池体系的研究。迄今为止，以第一或通讯作者在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等国际知名期刊上发表学术论文30余篇。

 

       科研思路分析

 

       Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

 

       A：如上所述，可充电锌-空气电池长期以来受到充放电过电位大的难题。常规的解决方案，如高活性电催化剂、电极保护和电解液优化等，难以从根本上解决问题。我们的目标就是从改变其电极反应过程入手来解决这一难题。在众多的方案中，光能是最为廉价、绿色环保的能源。并且，目前有不少的光电催化的工作已经证明了光的引入能够促进电化学反应过程。所以，我们就联想到能否通过光能直接在锌-空气电池中的转换与储存，从而构建高性能的锌-空气电池。

 

       Q：研究过程中遇到哪些挑战？

 

       A：本研究中最大的挑战是寻找合适能级的半导体电极材料用于光激发OER与ORR，并且能够在较大的电流密度下实现光能在锌-空气电池中的高效利用。在这个过程中，我们花费了很长的时间进行电极材料的选取、结构形貌的调控、以及电池结构配置的构建。此外，这项研究属于多学科交叉的研究，其中涉及到经典化学、光化学、电化学、反应动力学、材料科学等方方面面的知识，这对我们团队来说提出了不小的知识储备方面的挑战，未来希望有相关知识背景的研究者能够加入到我们团队，一起将研究推到更高的层次。

 

       Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

 

       A：该项研究实现了光能在锌-空气电池放电与充电两个过程中的同时高效利用，展现出了优异的电化学性能。即使是在10 mA cm-2的电流密度下，其放电电压也能高于充电电压，是一种“反常规”的现象。但目前这一成果尚处于概念型阶段，有待进一步的研究与开发。不过，我们相信这项研究成果将对光电化学在电池、催化相关领域中的直接应用与发展产生积极的推动作用。