光激發(fā)氧還原與氧析出反應提升鋅空氣電池性

時間:2020-08-17 12:12來源:學研天地 作者:綜合報道
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       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)典的電化學反應體系中已經(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)光能向電能和化學能的轉(zhuǎn)化與有效存儲呢?近日,南開大學的李福軍團隊基于光激發(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、鋅負極的鈍化和枝晶生長以及析氫等問題,導致了其實際放電電壓低于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程中與多孔鋅負極構(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,在外加電壓的作用下驅(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。
       電化學性能測試結(jié)果表明:所構(gòu)建的鋅空氣電池具有創(chuàng)紀錄的高放電電壓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程中光能向電能和化學能的轉(zhuǎn)化。這項工作不僅為光能在鋅空氣電池中的轉(zhuǎn)化與存儲提供了新途徑,而且也對光物理與化學、電催化等的結(jié)合以及功能分子的設計與合成具有重要指導意義。
       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
 
       通訊作者簡介
 
       李福軍,南開大學化學學院特聘研究員,國家優(yōu)青。分別于南開大學(導師,陳軍院士)和香港大學獲得碩士和博士學位,先后在日本東京大學和AIST (2012/01-2015/08)從事博士后研究,2015年入職南開大學化學學院。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.等國際知名期刊上發(fā)表學術(shù)論文30余篇。
 
       科研思路分析
 
       Q:這項研究最初是什么目的?或者說想法是怎么產(chǎn)生的?
 
       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)的解決方案,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。我們的目標就是從改變其電極反應過程入手來解決這一難題。在眾多的方案中,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反應過程。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)換與儲存,從而構(gòu)建高性能的鋅-空氣電池。
 
       Q:研究過程中遇到哪些挑戰(zhàn)?
 
       A:本研究中最大的挑戰(zhàn)是尋找合適能級的半導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,這項研究屬于多學科交叉的研究,其中涉及到經(jīng)典化學、光化學、電化學、反應動力學、材料科學等方方面面的知識,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:該研究成果可能有哪些重要的應用?哪些領(lǐng)域的企業(yè)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-空氣電池放電與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,有待進一步的研究與開發(fā)。不過,我們相信這項研究成果將對光電化學在電池、催化相關(guān)領(lǐng)域中的直接應用與發(fā)展產(chǎn)生積極的推動作用。
 
(責任編輯:子蕊)
文章標簽: 鋅空氣電池 氧還原
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