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註：文末有研究團隊簡介及本文科研思路分析
研究背景
太陽能的利用對社會的可持續發展是至關重要的，將光能引入到經典的電化學反應體系中已經取得了一定成效。那麼，能否在可充電鋅-空氣電池中同時實現光能向電能和化學能的轉化與有效存儲呢？近日，南開大學的李福軍團隊基於光激發ORR與OER構建了一種夾心三明治結構的高性能鋅-空氣電池。
成果簡介
近年來，可充電鋅-空氣電池作為一種能源儲存裝置，以其成本低、安全性高、理論能量密度大等優勢引起了社會的廣泛關注。其工作原理是基於可逆反應2Zn +O2 2ZnO，理論平衡電壓為1.64 V。然而，目前的鋅-空氣電池由於空氣正極緩慢的氧還原（ORR）和氧析出（OER）反應、鋅負極的鈍化和枝晶生長以及析氫等問題，導致了其實際放電電壓低於1.2 V、充電電壓高於2.0 V。即使在採用高活性電催化劑、電極保護和電解液優化的策略下，電池仍存在較大的充放電電壓差，導致其能量效率低下。因此，尋找新的策略來改善鋅-空氣電池電極極化大的問題是非常必要的。
近幾年，直接將光能在可充電電池中進行轉換或存儲的嘗試引起了研究人員的極大興趣，但如何在鋅-空氣電池中同時實現光能向電能和化學能的轉化仍存在機制認識不清和電極材料缺失的難題。對此，南開大學李福軍團隊採用原位負載於碳纖維上的聚(1,4-二(2-噻吩基)苯（PDTB）和二氧化鈦（TiO2）半導體作為鋅-空氣電池的正極催化劑，分別用於光激發ORR與OER，並分別在放電與充電過程中與多孔鋅負極構成迴路。在放電過程中，PDTB電極受光照，被激發的光電子進入PDTB的導帶，注入O2的分子軌道，從而促進ORR，提升電池的放電電壓；在充電過程中，TiO2電極受光照，價帶中形成強氧化性的空穴，在外加電壓的作用下驅動OER，同時光電子通過外電路傳輸到負極將ZnO還原為Zn，進而降低電池的充電電壓。這種三明治鋅-空氣電池結構確保了同時在放電和充電過程中的光能利用。
電化學性能測試結果表明：所構建的鋅空氣電池具有創紀錄的高放電電壓1.90 V和低充電電壓0.59 V（均不受限於熱力學平衡電位1.64 V），並且即使在10 mA cm-2的電流密度下，放電電壓仍高於充電電壓。這一「反常規」的現象是由於放電和充電過程中光能向電能和化學能的轉化。這項工作不僅為光能在鋅空氣電池中的轉化與存儲提供了新途徑，而且也對光物理與化學、電催化等的結合以及功能分子的設計與合成具有重要指導意義。
這一成果近期發表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章的第一作者是南開大學博士研究生杜東峰。
Photo-excited oxygen reduction and oxygen evolution reactions enabling a high-performance Zn-air battery
Dongfeng Du, Shuo Zhao, Zhuo Zhu, Fujun Li*, Jun Chen
Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202005929
通訊作者簡介
李福軍，南開大學化學學院特聘研究員，國家優青。分別於南開大學（導師，陳軍院士）和香港大學獲得碩士和博士學位，先後在日本東京大學和AIST （2012/01-2015/08）從事博士後研究，2015年入職南開大學化學學院。主要從事新能源材料和新型電池體系的研究。迄今為止，以第一或通訊作者在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等國際知名期刊上發表學術論文30餘篇。
科研思路分析
Q：這項研究最初是什麼目的？或者說想法是怎麼產生的？
A：如上所述，可充電鋅-空氣電池長期以來受到充放電過電位大的難題。常規的解決方案，如高活性電催化劑、電極保護和電解液優化等，難以從根本上解決問題。我們的目標就是從改變其電極反應過程入手來解決這一難題。在眾多的方案中，光能是最為廉價、綠色環保的能源。並且，目前有不少的光電催化的工作已經證明了光的引入能夠促進電化學反應過程。所以，我們就聯想到能否通過光能直接在鋅-空氣電池中的轉換與儲存，從而構建高性能的鋅-空氣電池。
Q：研究過程中遇到哪些挑戰？
A：本研究中最大的挑戰是尋找合適能級的半導體電極材料用於光激發OER與ORR，並且能夠在較大的電流密度下實現光能在鋅-空氣電池中的高效利用。在這個過程中，我們花費了很長的時間進行電極材料的選取、結構形貌的調控、以及電池結構配置的構建。此外，這項研究屬於多學科交叉的研究，其中涉及到經典化學、光化學、電化學、反應動力學、材料科學等方方面面的知識，這對我們團隊來說提出了不小的知識儲備方面的挑戰，未來希望有相關知識背景的研究者能夠加入到我們團隊，一起將研究推到更高的層次。
Q：該研究成果可能有哪些重要的應用？哪些領域的企業或研究機構可能從該成果中獲得幫助？
A：該項研究實現了光能在鋅-空氣電池放電與充電兩個過程中的同時高效利用，展現出了優異的電化學性能。即使是在10 mA cm-2的電流密度下，其放電電壓也能高於充電電壓，是一種「反常規」的現象。但目前這一成果尚處於概念型階段，有待進一步的研究與開發。不過，我們相信這項研究成果將對光電化學在電池、催化相關領域中的直接應用與發展產生積極的推動作用。