李福军课题组:光诱导氧气还原反应提升锌-空气电池输出电压

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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。
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π2p*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。

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）


李福军，男，南开大学先进能源材料化学教育部重点实验室研究员、博士生导师。2004年7月，湖北大学本科毕业；2007年7月，南开大学硕士毕业；2011年9月，香港大学博士毕业；2012年1月至2015年3月，东京大学工学系从事博士后研究；2015年3至8月，日本产业技术综合研究所开展锂-空气电池新型机理方面的前沿研究。2015年9月至今，任南开大学先进能源材料化学教育部重点实验特聘研究员、博士生导师。研究内容包括高能化学电源和新能源材料。到目前为止，在先进电极材料、电解质及新型反应机理等方面取得了一系列研究成果，以第一或通讯作者发表SCI论文30余篇，包括NatureCommun.（1篇）、Angew.Chem. Int. Ed.（2篇）、Adv.Mater.（2篇）、EnergyEnviron. Sci.（4篇）、Adv.Energy Mater. （3篇)、Adv.Funct. Mater.（1篇）、NanoLett.（1篇）等，影响因子大于10的论文14篇。其中，6篇文章入选2016 ESI年度1%高被引用论文。单篇最高他引300余次，论文总引用2500余次。


锌-空气电池也称为锌-氧空气电池，是一种体积小、电荷容量大、质量小、能在宽广的温度范围内正常工作、无腐蚀且工作安全可靠的环保电池。
锌空气电池的发展大致经历了四个阶段：
1、早在19世纪初，空气电极就有报道。但直到1878年，采用镀铂炭电极代替勒克朗谢电池中的阳极二氧化锰，才真正制成第一个空气电池。但当时采用的是微酸性电解质，电极性能极低，因而限制了锌空气电池的使用范围。
2、1932年，海斯（Heise）和舒梅歇尔（Schumacher）制成了碱性锌空气电池。它以汞齐化锌作为负极，经石蜡防水处理的多孔碳作为正极，20%的氢氧化钠水溶液作为电解质，使放电电流有了大幅提高，电流密度可达到7~10mA/cm2。这种锌空气电池具有较高能量密度，但输出功率较低，主要用于铁路信号灯和航标灯的电源。
3、20世纪60年代，由于燃料电池研究的需要，高性能的气体电极被成功研制。这种新型气体扩散电极具有良好的气/液/固三相结构，放电电流密度达到100mA/cm2，从而使高功率锌空气电池得以实现。1977年，小型高性能的扣式锌空气电池已成功进行商业化生产，并广泛用于助听器的电源。
4、近年来，随着气体扩散电极理论的进一步完善，以及催化剂的制备和气体电极制造工艺的发展，使电极性能进一步提高，电流密度可达到200~300mA/cm2，甚至有些达到500mA/cm2；同时，对锌空气电池气体管理的研究（如水、二氧化碳等），提高了锌空气电池的环境适应能力，为大功率锌空气电池的产品化开发提供了技术保障，同时也使各种锌空气电池体系逐渐走向商品化。