CCS Chemistry：一种用于锂氧气电池的高效多功能可溶性催化剂

一、 【导读】  

锂-氧电池因其理论能量密度高达3500Wh/kg而备受关注。然而,实际应用至今仍面临诸多挑战。其一，氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)动力学较为迟缓，给电池性能带来不利影响。其二，副反应严重，导致循环性能不佳。为提升锂-氧电池性能，开发理想的ORR和OER催化剂至关重要。固态催化剂催化位点受限，催化剂利用率低。相比之下，可溶催化剂在电解液中均匀分布，能与Li₂O₂充分接触，通常表现出更高的催化活性。然而，当前报道的可溶OER催化剂尚未很好解决超氧离子引起的副反应和电极钝化问题。尽管可溶ORR催化剂能通过与超氧离子相互作用来提升放电性能，但无法降低充电过电压和单态氧导致的副反应。因此，有效控制中间体和优化反应动力学对于开发高性能多功能溶液态催化剂至关重要，这也是实现锂-氧电池实际应用的关键。

二、【成果掠影】

最近，郑州大学化工学院窦雅颖、周震团队发表了一项关于锂氧气电池的研究。他们使用乙酰丙酮铱（Ir(acac)₃）作为锂氧气电池多功能可溶性催化剂，电池性能明显提升。这项研究提出了一种有效的多功能催化剂，旨在提高锂氧气电池的能量效率和循环寿命，将有力推动锂氧气电池的进一步的发展和实际应用。

相关研究成果以“An Efficient Multifunctional Soluble Catalyst for Li-O₂ Batteries”为题发表在期刊CCS Chemistry上。

三、【核心创新点】

在电池运行过程中，Ir(acac)₃能够与超氧自由基（O₂^-）相互作用，形成可逆的中间态复合物（Ir(acac)₃-O₂^-），从而有效地调节充放电反应途径，同时调控O₂^-的反应活性。

充电过程中，Ir(acac)₃还能作为氧化还原介质促进Li₂O₂的分解，有效降低充电过电位。通过原位紫外-可见光谱观察到，较低的充电电位显著减少了高反应性单线态氧（O₂）中间体的生成，从而大大提高了体系的稳定性。

四、【数据概览】

图 1. (a) O₂中含/不含Ir(acac)₃ 的电解质的 CV 曲线。 (b) 不含 Ir(acac)₃ 和 (c) 含有 Ir(acac)₃ 在不同电位范围的 CV 曲线。

图2. Ir(acac)₃催化机制的验证。 (a) 添加 KO₂ 之前和之后含/不含 Ir(acac)₃ 电解质的紫外光谱。 (b) 气体分析过程的示意图。(c) 对应的气体析出速率。

图 3. 含有和不含 Ir(acac)₃ 的 Li-O₂ 电池的电化学性能。 (a)电流密度为 200 mA g^-1 时，Li-O₂ 电池的完全放电-充电曲线。（b）不含 Ir(acac)₃ 和（c）含有 Ir(acac)₃的 Li-O₂ 电池的电压曲线，以及（d）相应的终端放电电压和放电容量及循环次数，电流密度为 100 mA g⁻¹ ，截止容量500 mAh g⁻¹。 (e)电流密度从100到2000 mA g^-1的Li-O₂电池的倍率性能。 (f) 不含和含有 Ir(acac)₃ 的电池在不同电流密度下的放电容量。

图 4. 含有/不含 Ir(acac)₃ 的 Li-O₂ 电池的放电和再充电正极的 (a) XRD 图谱和 (b-e) Li 1s XPS 谱，(b) 不含 Ir(acac)₃ 的电池的放电和 (c) 充电正极。 Ir(acac)₃电池(d)放电正极(e) 充电的正极。

图 5. 不含 Ir(acac)₃ 的 (a,c,e) 和 (b,d,f) 含Ir(acac)₃ 的正极在选定阶段的 SEM 图像； (a,d) 第一次放电、(c,d) 第一次充电和 (e,f) 第 20 次充电后正极的 SEM 图像。

图 6. 含/不含 Ir(acac)₃ 的 Li-O₂ 电池的充电曲线及相应的 DMA 浓度变化。

五、【成果启示】

本文报道了一种有机金属配合物Ir(acac)₃ ，并将其用于 Li-O₂ 电池作为多功能可溶性催化剂。Ir(acac)₃ 能够在电化学生成 O₂⁻ 时对其捕获，形成中间体 (Ir(acac)₃-O₂^-) 络合物，从而使超氧化物远离电极，促进溶液路径放电，并减轻正极钝化和相关的寄生反应。充电时，Ir(acac)₃ 可以通过主动与固体 Li_2−xO₂ 表面上形成的超氧化物中间体结合并充当氧化还原介质来加速 Li₂O₂ 的分解。此外，充电电位的降低有效地抑制了¹O₂的产生。因此，含有Ir(acac)₃的Li-O₂电池表现出大的放电容量、高的能量效率和更好的循环稳定性。这一成果表明，未来有必要开发更多种多功能可溶性催化剂，从而进一步提高锂氧气电池和其他金属空气电池的性能。

原文详情：

An Efficient Multifunctional Soluble Catalyst for Li-O₂ Batteries.

Shuochao Xing, Zhengcai Zhang, Yaying Dou*, Minghui Li, Jing Wu, Zhang Zhang, Zhen Zhou*

DOI: 10.31635/ccschem.023.202303320

https://www.chinesechemsoc.org/doi/10.31635/ccschem.023.202303320

本文由邢硕超供稿