新型半导体催化剂让阳光助力“空气发电”

老k · 发表于 2021-4-29 08:48:56

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科技日报讯（记者陈曦通讯员吴军辉）“吸”入空气中的氧气，经过简单的化学反应，就可以实现放电；充电时，放电产物通过可逆反应被分解，又重新释放出氧气。锂—氧气电池正在让“空气发电”的奇思妙想走进现实。
科技日报记者4月23日获悉，南开大学化学学院李福军研究员团队研究获得一种具有表面等离激元增强效应的新型半导体催化剂，首次将可见光引入锂—氧气电池中，显著提升了正极反应动力学，有效降低了电池充/放电过程的极化，开辟了构筑高效金属—空气电池的新思路。日前，介绍该工作的论文发表在国际顶级学术刊物《美国科学院院刊》上。
据介绍，“空气发电”被认为是极具发展前景的下一代电池体系，但其正极迟滞的反应动力学导致的充放电过程极化大、能量效率低等问题极大地制约了锂—氧气电池发展和应用的脚步。
光激发半导体产生的光电子和空穴可极大提升电化学反应动力学。采用能带结构合适的半导体材料，将光引入锂—氧气电池中，可显著提升正极反应动力学，降低充/放电过电压。
目前采用的半导体光吸收主要集中在紫外光区，仅占太阳光谱的4%。李福军团队研究发现，金纳米颗粒的等离激元增强效应可大幅提升可见光的吸收，提升氧气还原反应动力学，促进放电产物过氧化锂的生成；充电时，空穴在外加电压驱动下高效氧化过氧化锂，释放氧气。
“这就好像给锂—氧气电池增加了一个聚光镜，使正极接收到更多的光能，从而加快了电池反应。”李福军说。
改进后的锂—氧气电池的放电电压提高，意味着在放电过程中，锂—氧气电池也可以将部分光能被转化成电能输出；充电时，光能被转化成化学能存储在锂—氧气电池中，使充电电压下降，电池的充/放电电压差减小，同时也获得了优异的电池倍率性能和循环稳定性。
李福军表示，这项新的突破将能直接将光能在电池中实现转化和存储，将为太阳能发电和存储提供新策略。