我室锂氧气电池高效催化剂研制取得了新进展

我室吴忠帅研究员的二维材料化学与能源应用研究组（508组）与包信和院士团队合作，在锂氧气电池正极高效双功能催化剂研究方面取得了新进展：开发出高活性（101）晶面占优的二维Mn₃O₄/石墨烯复合催化剂材料，构建出高容量、长寿命锂氧电池。

锂氧气（Li-O₂）电池具有超高理论能量密度（3500 Wh kg^-1），被广泛认为是未来最有潜力的高比能电池之一。然而，空气正极较差的催化活性严重阻碍了其商业化。研究发现，设计具有特定形貌和高活性暴露晶面的双功能氧催化剂能够有效调控固-液-气三相界面处的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER），但一直存在很大挑战。

本工作中，该团队利用晶面工程设计并研制出石墨烯负载具有高活性（101）晶面占优且富含氧空位的Mn₃O₄纳米片（Mn₃O₄ NS/G），以其作为正极双功能催化剂，构建出高容量、长寿命锂氧电池，获得了0.86 V的较低过电位，明显优于（211）晶面的Mn₃O₄/石墨烯材料（1.15 V）。重要的是，Mn₃O₄ NS/G基Li-O₂电池表现出超高的放电比容量（35583 mAh g^-1，基于催化剂质量）及在130圈（1300 h）内优异的长循环稳定性，优于大多数锰基Li-O₂电池。实验和理论进一步证明，与Mn₃O₄（211）相比，Mn₃O₄（101）对Li₂O₂的吸附能较低，表明在充电过程中Li₂O₂更容易分解从而大幅降低充电过电势。该工作为设计高效双功能催化剂与构建高性能锂氧气电池提供了新的思路。

相关研究成果以“Two-Dimensional Mn₃O₄ Nanosheets with Dominant (101) Crystal Planes on Graphene as Efficient Oxygen Catalysts for Ultrahigh Capacity and Long-Life Li–O₂ Batteries”为题，发表在ACS Catalysis上。该工作的第一作者是包信和院士和吴忠帅研究员共同指导的博士研究生李月娇。上述工作得到国家自然科学基金、中科院洁净能源创新研究院合作基金等项目的资助。（文/图 李月娇）

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c02544