【能源】热电效应助力呼吸式可充锌空气电池- 大数跨境

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2023-04-13

导读：天津大学韩晓鹏研究员等人设计并开发了一种以P型Ca3Co4O9和N型CaMnO3为热电催化材料的双空气电极结构的呼吸型可充锌空气电池，成功地将热电体系和锌空气电池整合为一个系统。

为了克服可充电锌空气电池阴极氧析出（OER）和氧还原反应（ORR）动力学缓慢的问题，大量的实验研究集中于开发双功能催化材料。然而，由于OER和ORR对活性位点性质的要求不同，很难同时增强催化材料的双功能活性。此外，在较高的OER氧化电位下，一些ORR催化位点不可避免地会被破坏，这通常会引发材料表面不可逆的重构现象。

引入外场是提高电催化材料本征活性极有前景的策略之一。热电器件和可充电锌空气电池是不同的电能转换和存储系统。前者可以将热梯度转化为电能，但不能储存长期利用，而后者可以储存和供应稳定的电能。因此，将这两个系统整合在一起，将使它们的储能特性产生协同效应。开发热电增强型锌空气电池系统具有理论可行性，其主要的瓶颈是集成系统的合理设计。

近日，天津大学韩晓鹏研究员等人设计并开发了一种以P型Ca₃Co₄O₉和N型CaMnO₃为热电催化材料的双空气电极结构的呼吸型可充锌空气电池，成功地将热电体系和锌空气电池整合为一个系统。

图1

Ca₃Co₄O₉和CaMnO₃本身是具有OER和ORR活性位点的电催化材料。此外，Ca₃Co₄O₉和CaMnO₃作为热电电极可以在中温区温度范围内提供足够的电压促进电化学反应，能够有效地产生和利用热电能量。另一方面，具有平行排列的P型和N型电极的热电器件可以提供更好的机会提高OER和ORR性能。

在空气电极结构中，Ca₃Co₄O₉和CaMnO₃在加热板上物理解耦串联，分别作为OER电极和ORR电极进行充放电。Ca₃Co₄O₉和CaMnO₃在一定温度梯度条件下产生的Seebeck电压可以协同补偿部分OER和ORR过电位。此外，电极表面催化材料的电子态和能带结构也可以通过电极冷表面热电载流子 (h˙和e^-) 的积累进行调制，从而进一步优化其本征OER和ORR活性。

图2

最终，得益于空气电极的热电效应，Ca₃Co₄O₉和CaMnO₃的氧电催化本征活性得到了增强，从而锌空气电池的能量效率得到了显著的提升。这项工作为探索利用废热构建高效能二次金属空气电池系统提供了一种高效、经济、环保的途径。文章的第一作者是天津大学青年教师郑学荣（现为海南大学教授）和博士生曹晏珲。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Designing Breathing Air-electrode and Enhancing the Oxygen Electrocatalysis by Thermoelectric Effect for Efficient Zn-air Batteries

Xuerong Zheng, Yanhui Cao, Haozhi Wang, Jinfeng Zhang, Menghan Zhao, Zhong Huang, Yang Wang, Li Zhang, Yida Deng, Wenbin Hu, Xiaopeng Han

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202302689

通讯作者简介

韩晓鹏，天津大学研究员，博士生导师，国家优青，中国科协和天津市青年托举人才，天津市青年科技优秀人才。先后主持国家自然科学基金优青、面上和青年项目，中国科协青年人才托举项目，天津市基金和产学研项目累计20余项，主要从事新能源催化材料制备、结构性能调控与电化学器件方面的研究，在Nature Energy、Nature Commun.、Adv. Mater.等期刊发表论文190余篇，其中第一/通讯作者90余篇，32篇ESI高被引，h因子61，连续三年入选科睿唯安全球高被引学者（2020-2022），兼任Frontiers in Chemistry期刊副主编，Science China Materials、Rare Metals、Carbon Energy等多本期刊编委和青年编委，参与撰写两部中英文著作，获授权发明专利20余项，其中三项第一发明人专利实施转化，部分成果在中国航天科工集团和中国电子科技集团等所属重点单位实现了应用验证。

https://www.x-mol.com/university/faculty/50293

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