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Science Advances：双金属氧化还原活性配合物应用于高效锂氧气电池研究取得新进展

时间：2023-02-08 来源：浏览：

Science Advances：双金属氧化还原活性配合物应用于高效锂氧气电池研究取得新进展

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可充电非质子锂氧气电池(Li-O ₂ )具有高的理论能量密度，因此可能应用于新一代储能技术领域。目前该类电池仍存在许多问题，如过电位大、倍率性能低和循环稳定性差等。合理设计高效稳定的氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)催化剂是提高Li-O ₂ 电池性能的关键。南京大学左景林教授、马晶教授、何平教授等合作，在COFs材料中同时引入镍二硫烯单元和钴卟啉单元，构建出了ORR/OER双功能阴极催化剂，实现了高效的Li-O ₂ 电池性能。在500 mA g ⁻¹ 高电流密度下，电池整体充放电电势差降到1.0 V，并且能够持续稳定循环200圈，其性能接近 PtAu 贵金属纳米催化剂。相关工作以“ Covalent Organic Frameworks with Ni–Bis(dithiolene) and Co–Porphyrin Units as Bifunctional Catalysts for Li–O ₂ Batteries” 为题在 Science Advances ( DOI:10.1126/sciadv.adf2398 ) 上发表。

【文章亮点】

镍二硫烯(NiS4)可看作四硫富瓦烯(TTF)的无机类似物。基于NiS ₄ 和TTF结构和性能的相似性，合成出了双金属氧化还原金属配合物材料Ni-TAPP-Co.

图1 双金属氧化还原金属配合物设计思路

在500 mA g ⁻¹ 高电流密度下，Ni-TAPP-Co在Li-O ₂ 电池中表现出了良好的ORR/OER催化性能，将电池整体充放电电势差降到1.0 V，并且能够持续稳定循环200圈，性能接近 PtAu 贵金属纳米催化剂。

图2 不同COF材料作为Li-O ₂ 电池电极催化剂的电化学性能

密度泛函理论(DFT)和对照实验揭示了Ni-TAPP-Co在Li-O ₂ 电池中起到了双功能作用。(1) Ni和Co位点具有OER/ORR作用；(2) Ni和Co位点能够诱导Li ₂ O ₂ 沉积。

图3 电池反应的产物表征

图4 DFT计算

【总结】

双金属氧化还原金属配合物具有丰富的ORR/OER活性位点，多孔结构以及良好的网络形貌，展现了高效的Li-O ₂ 电池性能。密度泛函理论(DFT)和对照实验揭示了Ni和Co位点在降低放电/充电过电位和调节Li ₂ O ₂ 沉积中的起到了关键作用。以上结果拓展了金属配合物材料在储能方面的应用研究。

Si-Wen Ke, Wei Li, Yuming Gu, Jian Su, Yifan Liu, Shuai Yuan, Jing-Lin Zuo, Jing Ma, Ping He, Covalent organic frameworks with Ni-Bis(dithiolene) and Co-porphyrin units as bifunctional catalysts for Li-O2 batteries, SCIENCE ADVANCES, DOI:10.1126/sciadv.adf2398

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