张涛等在空气正极结构设计和催化调控方面取得系列进展

baozhang

锂氧气电池是利用锂金属和空气中的氧气实现化学能-电能直接转换的清洁储能体系。根据锂金属质量计算的二次锂氧气电池的理论能量密度高达11400W·h/kg，接近于汽油的能量密度（13000W·h/kg），这是将其应用于新能源汽车动力电池的研究驱动力。如果计入来自于空气反应物氧气的质量，其理论能量密度为3505W·h/kg（Li2O2），实现的能量密度预计可达到600W·h/kg以上，应用于新能源汽车可使得一次充电续航里程达到500～800km，可作为实现我国提出的新能源汽车动力电池发展目标的一种重要的电化学储能体系。空气正极对锂氧气电池的性能起着关键作用，但其稳定性差和能量效率低的问题亟待解决。

    “金属纳米钻”示意图   

        

钌局部嵌入碳复合材料的光谱及电荷转移示意图

　　最近，中国科学院上海硅酸盐研究所能源材料研究中心张涛研究员团队在空气正极结构设计和催化调控方面取得系列进展，基于“金属纳米钻”技术制备出嵌合纳米金属钌的自支撑碳基空气正极。该团队通过精确控制金属催化剂在碳载体中的嵌入位置，可控调节了碳与金属催化剂的接触界面及嵌合催化剂的电子结构。通过同步辐射及第一性原理计算验证了碳微米管和钌颗粒间存在着明显的电荷转移，局部嵌入的纳米钌颗粒表现出梯度催化特性。将该材料用于锂氧气电池空气正极，可调控空气正极的放电产物形貌，在不同放电深度下得到纳米片及薄膜-环状产物复合的放电产物。此空气正极在3500mAh/g的大容量循环中实现了较高能量效率（≥ 80 %）。该成果突破了空气正极单一固相催化剂ORR和OER催化活性难以兼顾的瓶颈，为锂氧气电池的空气正极设计提供了一条新思路。相关研究成果以“Chimerism of Carbon by Ruthenium Induces Gradient Catalysis”为题发表在Advanced Functional Materials, 2021, 202104011, 并被选为“Hot Topic: Carbon, Graphite and Graphene”。该研究成果已申请一项国家发明专利，第一作者为孙壮助理研究员，通讯作者为张涛研究员。
　　“金属纳米钻”是该团队提出的一种金属辅助化学刻蚀技术。针对碳载体中孔结构难以精确调控的难题，该团队提出将金属催化剂与碳活化结合的构想，通过引入非贵金属（如镍）或贵金属（如钌）一方面可实现对SP2/SP3碳材料进行催化刻蚀，得到从介孔到大孔的分级多孔碳载体；另一方面通过调控碳载体中嵌入的纳米金属的位置，制备出一体化的碳/限域金属催化剂复合材料。相关研究成果以“Metal nano-drills directionally regulate pore structure in carbon”为题发表在Carbon, 2021, 175, 60-68。该研究成果已申请两项国家发明专利，共同第一作者为杨楚舒博士生和孙壮助理研究员，通讯作者为张涛研究员。
　　以上研究工作得到了国家自然科学基金面上和青年基金项目、上海市科委科技创新行动计划高新技术领域项目及国家重点实验室主任基金等项目的资助和支持。
　　附文章链接：
　　  https://doi.org/10.1002/adfm.202104011
　　  https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.12.065


         文章来源：上海硅酸盐所
       张涛，研究员，中国科学院上海硅酸盐研究所博士生导师，中国科学院“百人计划”入选者。2007年毕业于复旦大学化学系物理化学专业，师从吴浩青院士，获得理学博士学位。毕业后在上海大学理学院任讲师。2008年开始先后在日本国立三重大学和日本国立产业技术综合研究所从事高比能电池材料和器件的研究。2015年加入中国科学院上海硅酸盐研究所，入选中国科学院“引进海外杰出人才”百人计划，并作为核心人员承担国防基础科研重点项目开发长续航高比能特种电源。2016年入选第六批上海“##计划”。至今在化学储能材料及器件领域发表SCI论文60余篇，被引用2700余次，其中被他引次数超过2500次（h-index=34，所有被引次数源自Web of Science核心合集）。论文发表的期刊包括Nature Communications（2篇），Angew. Chem. Int. Ed.（1篇），Energy & Environmental Science（5篇），Advanced Energy Materials（2篇），Nano Letters（1篇），ChemSusChem（2篇），Chemical Communications（1篇），Journal of Materials Chemistry（1篇），Journal of Power Sources（17篇），Journal of the Electrochemical Society（4篇）等。已获授权中国发明专利5项，获授权日本发明专利1项。担任国际电化学能源科学院Board Committee Member，多次受邀在IUPAC国际新材料大会、亚太材料学会、日德纳米材料学术论坛和全国固态离子学会议上作邀请报告，是Energy & Environmental Science，Angew. Chem. Int. Ed.，ChemSusChem，Nano Energy，Journal of Materials Chemistry A，Journal of Electrochemical Society等学术期刊审稿人。