新型半導(dǎo)體催化劑讓陽光助力“空氣發(fā)電”

4月23日獲悉，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院李福軍研究員團(tuán)隊研究獲得一種具有表面等離激元增強(qiáng)效應(yīng)的新型半導(dǎo)體催化劑，首次將可見光引入鋰—氧氣電池中，顯著提升了正極反應(yīng)動力學(xué)，有效降低了電池充/放電過程的極化，開辟了構(gòu)筑高效金屬—空氣電池的新思路。日前，介紹該工作的論文發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)刊物《美國科學(xué)院院刊》上。

據(jù)介紹，“空氣發(fā)電”被認(rèn)為是極具發(fā)展前景的下一代電池體系，但其正極遲滯的反應(yīng)動力學(xué)導(dǎo)致的充放電過程極化大、能量效率低等問題極大地制約了鋰—氧氣電池發(fā)展和應(yīng)用的腳步。

光激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生的光電子和空穴可極大提升電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)。采用能帶結(jié)構(gòu)合適的半導(dǎo)體材料，將光引入鋰—氧氣電池中，可顯著提升正極反應(yīng)動力學(xué)，降低充/放電過電壓。

目前采用的半導(dǎo)體光吸收主要集中在紫外光區(qū)，僅占太陽光譜的4%。李福軍團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，金納米顆粒的等離激元增強(qiáng)效應(yīng)可大幅提升可見光的吸收，提升氧氣還原反應(yīng)動力學(xué)，促進(jìn)放電產(chǎn)物過氧化鋰的生成；充電時，空穴在外加電壓驅(qū)動下高效氧化過氧化鋰，釋放氧氣。

“這就好像給鋰—氧氣電池增加了一個聚光鏡，使正極接收到更多的光能，從而加快了電池反應(yīng)。”李福軍說。

改進(jìn)后的鋰—氧氣電池的放電電壓提高，意味著在放電過程中，鋰—氧氣電池也可以將部分光能被轉(zhuǎn)化成電能輸出；充電時，光能被轉(zhuǎn)化成化學(xué)能存儲在鋰—氧氣電池中，使充電電壓下降，電池的充/放電電壓差減小，同時獲得了優(yōu)異的電池倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

李福軍表示，這項新的突破將能直接將光能在電池中實現(xiàn)轉(zhuǎn)化和存儲，將為太陽能發(fā)電和存儲提供新策略。