Advanced Energy Materials:阳离子空位调控氧化钴双功能催化活性提高锂氧气电池性能

为了缓解传统化石燃料的迅速枯竭和日益严重的环境污染问题,研发高效清洁能源势在必行。锂氧气电池具有极高的理论能量密度,未来可用于新能源汽车、智能电网储能、移动设备用电、深空-深海探索等诸多领域,是当前研究的热点。然而,锂氧气电池的大规模应用面临一系列挑战,主要包括电解液在高压下分解严重、锂枝晶形成、充放电过程中滞后的氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)动力学、副产物积累和循环不良等。在合理调控活性位点和深入了解催化机理的基础上,开发高效的双功能电催化剂降低OER和ORR的能垒,提高电池的反应效率是提升锂氧气电池性能的有效手段。前期研究表明,引入氧空位能够有效提高四氧化三钴的催化活性,而具有阳离子空位四氧化三钴的锂氧电池研究却鲜有报道。

山东大学张进涛课题组成功设计合成了具有阳离子空位的四氧化三钴纳米颗粒,并用于锂氧气电池正极催化剂,表现出优越的电催化活性。相关成果以“Tunable Cationic Vacancies of Cobalt Oxides for Efficient Electrocatalysis in Li-O2 Batteries”为题,发表在国际顶级期刊Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202001415)上。

研究者通过在空气中退火纳米甘油钴(GlyCo)成功将阳离子空位引入四氧化三钴。由重复Co-O-Co-O单元组成的GlyCo提供了调节钴和氧比值的可能性,因此通过热处理可以很容易地构建阳离子空位并调控浓度。这种带有阳离子空位的四氧化三钴有着优异的双功能催化作用,以其为正极催化剂的锂氧气电池表现出了高比容量,高循环稳定性和良好的倍率性能。DFT计算揭示了阳离子空位存在能够引起电子离域化,降低催化剂对中间产物的吸附能,从而促进了电催化性能,提高了电池的性能。实验结果和理论计算均阐明了阳离子空位对提升四氧化三钴电催化性能的积极贡献,研究者相信这为设计具有特殊结构的高效先进能源材料提供了新思路。