Li-O2電池因其超高的理論能量密度得到了研究人員的廣泛關注。然而，充放電過程中緩慢的氧還原/氧析出反應（ORR/OER）導致電池大的過電位和低的能量效率。常用的解決方案包括採用固體的正極催化劑和液體的氧化還原媒介。但目前採用的大多數固體催化劑仍存在較大的過電位，液體的氧化還原媒介會穿梭到鋰負極，引起副反應，降低電池的能量效率。探索新的反應機理以降低Li-O2電池大的過電位成為當務之急。
光能是一種清潔、豐富的能源，將其轉換成可直接利用的電能對於構建可持續發展的社會至關重要。光電催化水分解和二氧化碳還原在光能轉化方面得到了廣泛研究。此外，將光能引入到氫-氧燃料電池和鋅-空氣電池後可顯著提升氧還原反應（ORR）的動力學，同時提升電池的輸出電壓和降低充電電壓。選擇能帶結構合適的半導體成為光能利用的關鍵，光激發半導體產生的電子和空穴可極大提升電化學反應的動力學。
近日，南開大學化學學院李福軍研究員（點擊查看介紹）團隊採用氮化碳（C3N4）作為光正極，利用光能顯著提升ORR/OER的動力學，有效促進放電產物Li2O2的形成與分解。光照下，放電電壓提升到3.22 V，超過了理論平衡電位2.96 V，實現了光能轉化為電能。充電電位降低至3.38 V，相當於將光能轉化為化學能、存儲在電池中。光照下電池的能量效率達到95.3%，與暗處相比，電池的能量密度提升23%。表面增強拉曼研究表明，光照下，放電時O2捕獲C3N4導帶上產生的光電子，還原為O2-，然後與Li+結合生成LiO2，再經過二次電子還原得到最終放電產物Li2O2；充電時，價帶中的空穴在外加電場的驅動下轉移到Li2O2，致使其直接分解為O2和Li+。本工作實現了在Li-O2電池中光能的轉化與存儲，極大提升了電池的能量效率，為空氣電池的發展提供了新的研究思路。
這一成果近期發表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是南開大學直博生朱卓（本科畢業於海南大學），李福軍研究員為論文的通訊作者。
Photo-energy Conversion and Storage in an Aprotic Li-O2 Battery
Zhuo Zhu, Xiaomeng Shi, Guilan Fan, Fujun Li,* Jun Chen
Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201911228
導師介紹
李福軍研究員，國家優青，天津市傑青，分別於南開大學（導師，陳軍院士）和香港大學獲得碩士和博士學位，先後在日本東京大學和AIST（2012/01-2015/08）從事博士後研究，2015年9月加入南開大學先進能源材料化學教育部重點實驗室。主要從事新能源材料和新型電池體系的研究，迄今為止，以第一或通訊作者發表論文50餘篇，包括Nature Communications、Angewandte Chemie、Chem、Advanced Materials、Energy Environmental Science、Advanced Energy Materials 等。
https://www.x-mol.com/university/faculty/48520
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