钌基纳米复合材料的制备及在可充锂-空气电池中的应用

Performance of Li-air battery is dependent on the catalytic activity of cathode catalyst, and developing high-efficiency and stable catalysts is critical for promoting battery performance. This proposal is planning to apply the replacement reaction of Ni to obtain Ru-based nanocomposite with exposed particular crystal facets and study its electrochemical performance as a cathode catalyst in Li-air batteries. XRD, XPS, FT-IR, SEM, HRTEM, SAED, Rotating ring-disk/disk electrodes, cyclic voltammetry and gas chromatography etc. will be employed to characterize the interfacial structure of the as-prepared composite and investigate its electrochemical performance. The focus of this proposal will be on (1) formation mechanism of the Ru-based nanocomposite, (2) correlation of its ORR/OER catalytic activity to the interfacial composition, structure, valence, and morphology, and electron and mass transport, and (3) relationship between the Ru-based nanocomposite structure and Li-air battery performance. The target of this proposal is to obtain an optimized, high efficiency Ru-based nanocomposite for Li-air batteries, and provide theoretical insights and understandings for the future practical application of Li-air batteries. Six papers will be published, together with 2 patents applied, and at least 4 postgraduates will be educated.

锂-空气电池性能取决于正极催化剂，开展高效、稳定催化剂材料的研究是全面提升电池综合性的关键。本项目拟采用金属Ni置换法实现可控制备具有特定暴露晶面的Ru基纳米复合材料及其在锂-空气电池中的应用。本项目将运用XRD、XPS、FT-IR、SEM、HRTEM、SAED、旋转环盘和圆盘电极、循环伏安法、气相色谱仪等对Ru基纳米材料的表/界面进行表征和研究材料的电化学性能。重点关注（1）具有特定暴露晶面的Ru基纳米材料的形成，（2）Ru基纳米材料的氧还原/氧析出反应催化性能与Ru的表/界面组成、结构、价态、形貌及与表/界面荷质传输的依耐性变化规律，（3）Ru基纳米复合材料与电池性能的构效关系。设计与制备出优化的高效锂-空气电池Ru基纳米复合材料正极催化剂，为将来锂-空气电池的实用化提供理论基础和实验依据。预期发表SCI高水平学术论文6篇，申请发明专利2项，至少培养研究生4名。

锂-氧气电池因其具有的超高理论能量密度，吸引了研究者们的广泛关注。锂-氧气电池面临的主要问题在于放电产物过氧化锂（Li2O2）分解困难和电池极化过大、容量衰减迅速。制备高效的正极电催化剂对于促进Li2O2的可逆分解，提高锂-氧气电池充放电效率至关重要。本项目针对上述提及的科学问题，在锂空气电池正极材料的设计与制备方面的主要研究进展包括：（1）贵金属Ru纳米片和PtCu3凹面立方体催化剂的制备与锂-氧气电池反应，采用水热和热注射法，在表面活性剂（聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵和三正辛基氧化膦）的作用下，制备出两种具有特殊形貌的贵金属纳米材料（Ru纳米片和PtCu3凹面立方体），使用Ru纳米片和PtCu3凹面立方体作为催化剂的锂-氧气电池分别展现出了0.63 V和0.45 V的较低过电位。这主要归因于Ru纳米片和PtCu3凹面立方体优异的氧还原与析出催化活。该项工作为高效锂-氧气电池正极催化剂的可控制备提供了新思路。（2）新型可捕获光子的半导体正极材料应用于锂-氧气电池反应：在本工作中，我们将半导体氮化碳（C3N4）光催化剂引入到有光参与的锂-氧气电池体系中。利用光子在C3N4电极上的引起电子与空穴分离作用，促进Li2O2的形成与分解。在C3N4的光催化作用下，锂-氧气电池展现出优异的电化学性能。在0.04 mA cm-2的电流密度下，光照时锂-氧气电池的放电电压提升到3.22 V，充电电位降低至3.38 V，能量效率高达95.3%。该项工作实现了光能和电能在锂-氧气电池中的存储与转化，为光能在电池领域的应用提供了更多的机遇。