哈工大尹鸽平课题组AS: 石墨炔解耦氧化还原介质穿梭效应，助力高性能锂-氧电池- 大数跨境

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哈工大尹鸽平课题组AS: 石墨炔解耦氧化还原介质穿梭效应，助力高性能锂-氧电池

科学材料站

2021-11-30

导读：该工作首次采用石墨炔（GDY）作为锚定二茂铁（Fc）氧化还原介质的载体，构筑了GDY/Fc阴极工作框架

文章信息

石墨炔Π共轭锚定二茂铁，实现锂-氧电池氧化还原介质零穿梭。

第一作者：李旭东

通讯作者：娄帅锋*，尹鸽平*

单位：哈尔滨工业大学电化学工程系

研究背景

可充锂-氧（Li-O2）电池是储能界的圣杯，其理论能量密度高达3500 Wh kg^-1，被视为锂电池的终极形态。然而，在Li-O2电池充放电过程中，阴极一侧复杂的O₂/Li₂O₂多相氧化还原电化学导致实际反应动力学迟缓、寄生反应严重，这严重制约其实际应用。

如何提高锂-氧电池充放电效率与循环稳定性成为推进其未来应用化的关键因素。普通固体催化剂由于改善Li-O2电池反应动力学的能力有限，无法从根本上解决氧电极钝化问题。可溶性氧化还原介质（RM）虽能营造液相催化环境改善固-固界面反应，但同时也带来了穿梭效应问题。活泼的氧化-RM会与锂金属反应，引发严重自放电及自身功能性衰退，影响电池稳定性。解耦RM穿梭效应，实现阴极高效的靶向催化至关重要。

文章简介

基于此，哈尔滨工业大学尹鸽平教授团队在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“𝝅-Conjugation Induced Anchoring of Ferrocene on Graphdiyne Enable Shuttle-Free Redox Mediation in Lithium-Oxygen Batteries”的文章。

该工作首次采用石墨炔（GDY）作为锚定二茂铁（Fc）氧化还原介质的载体，构筑了GDY/Fc阴极工作框架，成功地解耦了Fc的带电氧化还原特性和穿梭效应，实现了阴极一侧高效的靶向催化。

图1.锂-氧电池中石墨炔抑制二茂铁穿梭效应的机理及阴极侧高效靶向催化过程的示意图

本文要点

要点一：拓展了新型sp2杂化碳材料的应用维度

本文首次将GDY应用于Li-O2电池体系。与目前主流的sp2-杂化碳材料（石墨烯，碳纳米管等）相比，石墨炔的电子分布具有不均匀性，物理化学性质可控性强，拓扑结构丰富。本文拓扑的六边形孔结构的石墨炔增强了Li-O2电池阴极一侧氧化还原反应的传质传荷，为Fc-氧化还原介质的高效利用提供了稳定的载体。

要点二：氧化还原介质介导方式的转变

该研究依托GDY载体，实现了Fc-RM辅助催化方式从间接的电解液-氧电极的物理迁移型到直接的氧电极接触型的转换；在保证Fc氧化还原介质介导能力的同时，抑制了其穿梭效应，消除了锂金属负极的损耗与Fc自身的功能性降解。

要点三：放电机制的调控

得益于Fc与GDY载体的相互电子作用，本文设计的阴极工作框架有效调控了氧电极对中间放电产物O^2-，LiO₂的吸附强度，诱导了ORR过程中Li₂O₂在Fc位点的定向三维生长；两者的直接接触又使得Fc能在OER过程中充分发挥氧化还原特性，通过化学氧化助力Li₂O₂高效可逆分解，提高了Li-O₂电池的充放电效率。

要点四：总结与展望

从实际的角度来看，鉴于迁移型RM的穿梭效应和传质效率差等先天缺陷，将RM固定在阴极侧对含RM型Li-O2电池的推进具有重要意义。本文中除了RM固定化的阴极设计之外，本文还特别讨论了RM与阴极载体之间的相互作用。充分利用RM与载体之间的电子相互作用是协同提升电催化性能的重要策略之一。我们的工作表明，在没有锂保护层或功能隔板使用的情况下，通过简单的阴极框架上的锚定策略，亦可实现RM带电荷氧化还原特性和穿梭效应的解耦，这为RM在Li-O2电池中的可持续应用开辟了一条新途径。

文章链接

“𝝅-Conjugation Induced Anchoring of Ferrocene on Graphdiyne Enable Shuttle-Free Redox Mediation in Lithium-Oxygen Batteries”

https://doi.org/10.1002/advs.202103964

通讯作者简介

娄帅锋博士后

2017年博士毕业于哈工大电化学工程系，攻博期间在加拿大西安大略大学联合培养，2019-2020年在美国哥伦比亚大学从事博士后研究。目前主要从事电化学储能领域的研究，包括全固态锂电池、离子电池关键材料与技术等。近年来参与国家863重大专项、工信部民用航天预研项目、国家自然科学基金重点项目等多项国家/省部级课题，以第一作者/通讯作者发表SCI论文30余篇，包括Nature Communications、Chem、Advanced Materials等著名期刊，论文被引用1600余次。2018年获得哈工大校优秀博士学位论文，2021年获得黑龙江省优青基金，入选中国科协青年人才托举工程。

尹鸽平教授/博士生导师

哈尔滨工业大学化工与化学学院教授/博士生导师。现任哈工大化工学院特种化学电源研究所所长，黑龙江省化学电源与金属电沉积重点实验室主任，兼任中国电化学专业委员会委员及燃料电池分会主席。主要从事质子交换膜燃料电池、金属-空气电池、锂离子电池、柔性锂离子电池及智能器件等方面的研究。主持完成国家“863”重大项目课题、工信部民用航天重点项目、国家自然科学基金重点项目等省部级重大项目等20余项。在Science、Nat. Comm., Angew. Chem., Adv. Mater.等期刊发表SCI论文330余篇，SCI总引用20000余次，H因子为70。入选ESI热点论文2篇、ESI高被引论文18篇、中国百篇最具影响国际学术论文2篇。2014～2020年连续入选爱思唯尔中国高被引学者（能源领域）。作为联合主编出版Elsevier专著1部。获得黑龙江省自然科学一等奖2项（排序1）、二等奖1项（排序3），航天工业部科技进步三等奖1项（排序2）

第一作者介绍

李旭东博士研究生

哈尔滨工业大学化学与化工学院电化学工程系博士研究生。目前主要从事锂-空气电池方向研究，包括高效阴极催化剂构筑、功能性电解液设计、锂负极界面稳定性改进等。以第一作者身份发表SCI论文12篇，包括Advanced Science、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Chemistry A、ACS Applied Materials & Interfaces等期刊。