陕西师范大学AS：尺寸可控硼基双功能光电极实现高性能光辅助锂氧电池

第一作者：李  玲

通讯作者：刘宗怀、李  琪

作者单位：陕西师范大学

在能量存储/转换系统需求不断增长的驱动下，可充电Li-O₂电池由于其超高的理论能量密度，作为下一代储能技术的候选体系受到了研究者的广泛关注。但是，Li-O₂电池缓慢的ORR和OER反应动力学所产生的过电位，导致Li-O₂电池的倍率性能和循环寿命严重降低，而在Li-O₂电池中直接引入光电极是降低其过电位的有效方法之一。目前，已经开发和报道了一些典型无机/有机化合物光电极Li-O₂电池体系，但单元素Li-O₂电池光电极报道很少，其作用机理尚不明确。

本文在制备尺寸可控单元素硼纳米材料基础上，首次将其作为光辅助Li-O2电池双功能光电极，对其电池性能进行评估和系统的研究。该研究不仅突出了不同尺寸硼材料的制备意义，也为Li-O₂电池的高效光电转换和存储提供了新途径。

近日，陕西师范大学材料科学与工程学院刘宗怀教授和李琪副教授课题组，在国际期刊Advanced Science上发表题为“Size-controlled boron-based bifunctional photocathodes for high-efficiency photo-assisted Li-O₂ batteries”文章。该工作利用超声辅助液相剥离技术，通过差速离心分离制备了一系列不同尺寸单元素硼纳米材料，并将其作为光辅助Li-O₂电池双功能光催化剂，实现了高性能单元素硼基双功能光电极Li-O₂电池，为高效光电转换和存储Li-O₂电池性能改善提供新策略。

采用探头超声和水浴超声相结合液相剥离法，制备了尺寸从~1 μm到~5 nm单元素系列硼纳米材料Li-O₂电池双功能光催化剂，构建了硼基双功能光辅助Li-O₂电池新体系。

随着硼纳米材料Li-O₂电池双功能光催化剂尺寸减小，硼基双功能光辅助Li-O₂电池光照下的往返效率升高。其中，非晶态硼纳米片B4光电极表现出3.55 V的高放电电位和1.87 V的低充电电位，具有190%超高往返效率，即使在0.09 mA cm^-2大电流密度下，仍然具有138%的往返效率。此外，非晶态硼纳米片B4光电极Li-O₂电池还展示出优异的耐用性和循环寿命，连续放电10 h和充电10 h后能够保持173%高往返效率，100次循环（200 h）后的往返效率仍保持为133%。

实验和理论计算结果综合表明，非晶态硼纳米片B4所具有的半导体特性，强的催化活性以及无定形硼氧化层的协同效应，致使非晶态硼纳米片B4基光辅助Li-O₂电池的超高性能。

Size-Controlled Boron-Based Bifunctional Photocathodes for High-Efficiency Photo-Assisted Li–O₂ Batteries.

刘宗怀 教授：博士生导师，享受政府特殊津贴，宝钢优秀教师奖获得者，陕西省“三秦学者”及储能材料与器件“三秦学者”创新团队带头人，陕西师范大学教学名师及优秀导学团队负责人。研究方向为储能材料及器件，开发了不同电性无机层状化合物剥离新技术，实现了温和条件下不同电性纳米层组装制备纳米层状功能材料，为实现超级电容器能量密度及容量改善提供了新途径。先后主持包括国家“863”计划、国家自然科学基金等研究项目十余项，在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., ACS Nano等杂志发表SCI论文150余篇，取得授权发明专利12项，获陕西省科学技术进步二、三等奖各1项，出版《二维无机材料剥离、纳米层组装及其功能化》学术专著一部。

李琪 副教授：日本筑波大学工学博士，日本产业技术综合研究所博士后。2018年起任职于陕西师范大学材料科学与工程学院，主要从事锂/钠离子电池、锂硫电池、Li-O₂电池等新型储能电池研究。主持国家自然科学青年基金、中国博士后基金特别资助项目和陕西高校“青年杰出人才”支持计划等项目。以第一作者或通讯作者作者在Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Energy Mater.，Joule等学术刊物上发表SCI研究论文30余篇。

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