新型半導體催化劑 讓陽(yáng)光助力“空氣發(fā)電”

“吸”入空氣中的氧氣，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應，就可以實(shí)現放電;充電時(shí)，放電產(chǎn)物通過(guò)可逆反應被分解，又重新釋放出氧氣。鋰—氧氣電池正在讓“空氣發(fā)電”的奇思妙想走進(jìn)現實(shí)。

科技日報記者4月23日獲悉，南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院李福軍研究員團隊研究獲得一種具有表面等離激元增強效應的新型半導體催化劑，首次將可見(jiàn)光引入鋰—氧氣電池中，顯著(zhù)提升了正極反應動(dòng)力學(xué)，有效降低了電池充/放電過(guò)程的極化，開(kāi)辟了構筑高效金屬—空氣電池的新思路。日前，介紹該工作的論文發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)刊物《美國科學(xué)院院刊》上。

據介紹，“空氣發(fā)電”被認為是極具發(fā)展前景的下一代電池體系，但其正極遲滯的反應動(dòng)力學(xué)導致的充放電過(guò)程極化大、能量效率低等問(wèn)題極大地制約了鋰—氧氣電池發(fā)展和應用的腳步。

光激發(fā)半導體產(chǎn)生的光電子和空穴可極大提升電化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)。采用能帶結構合適的半導體材料，將光引入鋰—氧氣電池中，可顯著(zhù)提升正極反應動(dòng)力學(xué)，降低充/放電過(guò)電壓。

目前采用的半導體光吸收主要集中在紫外光區，僅占太陽(yáng)光譜的4%。李福軍團隊研究發(fā)現，金納米顆粒的等離激元增強效應可大幅提升可見(jiàn)光的吸收，提升氧氣還原反應動(dòng)力學(xué)，促進(jìn)放電產(chǎn)物過(guò)氧化鋰的生成;充電時(shí)，空穴在外加電壓驅動(dòng)下高效氧化過(guò)氧化鋰，釋放氧氣。

“這就好像給鋰—氧氣電池增加了一個(gè)聚光鏡，使正極接收到更多的光能，從而加快了電池反應。”李福軍說(shuō)。

改進(jìn)后的鋰—氧氣電池的放電電壓提高，意味著(zhù)在放電過(guò)程中，鋰—氧氣電池也可以將部分光能被轉化成電能輸出;充電時(shí)，光能被轉化成化學(xué)能存儲在鋰—氧氣電池中，使充電電壓下降，電池的充/放電電壓差減小，同時(shí)也獲得了優(yōu)異的電池倍率性能和循環(huán)穩定性。

李福軍表示，這項新的突破將能直接將光能在電池中實(shí)現轉化和存儲，將為太陽(yáng)能發(fā)電和存儲提供新策略。