北大深研院潘锋&杨卢奕ACS Nano: 利用阳离子插层化学催化电池中的转化型反应

2023-03-14 14:58:18

一、导读

催化反应在化工生产、制药以及废物处理等各方面都有广泛应用。电化学催化反应主要依赖于氧化还原反应中间体作为电荷转移媒介降低反应能垒，在电化学储能系统中同样存在氧化还原反应中间体协助电荷转移从而达到降低反应过电位的目的。转化型反应体系具有非常可观的能量密度，比如金属-氧气，金属-硫，金属-二氧化碳电池体系等，然而这些体系中的反应物和产物导电性差，从而导致了高的过电位、低的能量利用效率以及差的循环和倍率性能。

Na₂CO₃是一种常见且价格低廉的化学材料，在钠离子电池体系中具有超高的理论脱钠比容量（> 500 mAh g^-1），是较为理想的化学补钠材料。同时Na₂CO₃也是Na-CO₂电池的一个重要反应产物，其分解反应也决定了Na-CO₂电池的电化学性能。然而，由于Na₂CO₃本征极低的导电率，导致在电池体系中的应用高度受限，会造成较大的过电位和较低的能量转换效率。因此，对于相关工作机理的研究以及寻找更有效的氧化还原反应中间体一直是该领域的一个重大挑战。

二、成果掠影

ACS Nano期刊收录了北京大学深圳研究生院潘锋教授和杨卢奕副研究员利用阳离子插层化学催化电池中的转化型反应的最新成果。目前依赖于氧化还原反应中间体辅助的催化反应主要发生在固-气、固-液或者是固-固界面，因此催化效率主要取决于界面反应活性位点。该文展示了一种经济且高效的策略，即通过将常见的锂离子电池层状正极材料钴酸锂（LiCoO₂）作为初始材料，该材料在脱锂状态下能够充当插层氧化还原反应中间体与Na₂CO₃反应将Na⁺储存在层间，并且在更高电位下将Na⁺释放，从而实现了更为高效的Na₂CO₃分解反应。该策略能够被应用于电池补钠以及Na-CO₂电池领域，并且也为更多转化型反应体系以及新材料的应用提供了可能的途径。

相关研究成果以“Exploiting cation intercalating chemistry to catalyze conversion-type reactions in batteries”为题发表在ACS Nano.

三、数据概览

图1 Na₂CO₃电化学氧化过程中的原位形貌变化观察。

图2 Na⁺在LiCoO₂中的插层反应表征。

图3 Na₂CO₃分解反应机理示意图。

图4 LiCoO₂的加入对于（a-c）Na-CO₂电池以及（d-f）层状正极补钠性能的提升。

四、成果总结

本文展示一种简单且经济高效的方法，即通过将层状的LiCoO₂进行电化学脱锂后形成Li_1-xCoO₂，与Na₂CO₃发生化学反应，自发在层间嵌Na⁺形成Na_yLi_1-xCoO₂氧化还原反应中间体，促进了Na₂CO₃的分解转化反应。不同于传统的依赖于表面有限位点吸脱附来进行的催化反应，本文揭示了一种基于体相中阳离子插层反应的电化学氧化还原介体（redox mediator）。该研究发现不仅可用于降低Na-CO₂电池的充放电反应过电位，同时还可用于钠离子电池的补钠操作。该研究发现也为未来开发利用更多新型的储能材料体系提供了可能。

原文链接：Huang, W.; Qiu, J.; Ji, Y.; Zhao, W.; Dong, Z.; Yang, K.; Yang, M.; Chen, Q.; Zhang, M.; Lin, C.; Xu, K.; Yang, L.; Pan, F. Exploiting cation intercalating chemistry to catalyze conversion-type reactions in batteries. ACS Nano 2023, https://doi.org/10.1021/acsnano.2c11029.

五、作者介绍

潘锋（通讯作者），北京大学讲席教授，博士生导师，北京大学深圳研究生院副院长和新材料学院创院院长。潘锋教授于1985年本科毕业于北京大学化学系，1988年在中科院福建物构所获得硕士学位，1994年在英国Strathclyde大学获得博士学位及最佳博士论文奖，同年在瑞士ETH从事博士后研究。潘锋教授长期致力于结构化学和材料基因的探索、电池和催化材料的结构与性能及应用研究，在Nature、Nature Energy、Nature Nanotech、Science Advance、Joule、Chem、Journal of American Chemistry Society、Angewandt Chemie、Advanced Energy Materials、Advanced Materials等国际知名期刊发表SCI论文380余篇。潘锋教授于2020年任《结构化学》杂志执行主编，曾获2021年“中国电化学贡献奖”、2018年美国电化学学会“电池科技奖”、2016年国际电动车锂电池协会杰出研究奖等。

杨卢奕（通讯作者），北京大学新材料学院副研究员。目前主要开展下一代储能材料的制备与表征研究，在电池领域以第一作者或通讯作者在Joule, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Science Bulletin, Energy Storage Materials, Small等国内外JCR一区杂志中发表论文40余篇。

本文由作者供稿。

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