金属钌有机配合物作为非水锂空电池液相催化剂的研究

The oxygen catalyst is the main challenge for the development of the nonaqueouse lithium oxygen batteries . Due to it is difficult to make good contact between the solid catalyst and Li2O2, the kinetic of the oxygen reduction reaction and the oxygen evolution reaction is still slow. If a solution-phase catalyst is used, this problem will be alleviated. Some recent studies showed that incorporation of a solution-phase catalyst can greatly improved the rate capability and cycle performance of a lithium oxygen battery. This work will synthesize some solution-phase catalysts for nonaqueous lithium oxygen batteries based the ruthenium organic compound with excellence performance and will promote the practice application of the nonaqueous lithium oxygen batteries. The catalyst effect of the ruthenium organic compound for oxygen evolution reaction of the nonaqueous lithium oxygen batteries is the key issue in this work. The compatibility between the ruthenium organic compound and metal lithium, electrolyte, oxygen cathode will be studied intensively, as well as the synergistic reaction between the ruthenium organic compound and the other solid catalysts. After this issue finished, the mechanism of oxygen revolution reaction for nonaqueous lithium oxygen batteries will be researched, and some model will be build for the synthesis of the new solution-phase catalyst.

氧催化剂是非水锂空电池的研究重点，而液相氧催化剂则是近年来兴起的研究热点之一。由于固/液界面的特性，液相催化剂表现出比固相催化剂更为优异的倍率特性和循环稳定性。本项目开发具有高催化活性的联吡啶钌金属有机配合物并应用于非水锂空电池中，重点研究联吡啶钌金属有机配合物对非水锂空电池氧析出反应的催化作用，系统研究联吡啶钌金属有机配合物与金属锂、电解液以及氧正极的相容性、与其它固体催化剂的协同效应，揭示非水锂空电池氧析出机理，并为进一步开发新型液相催化剂提供依据。

非水系锂空气电池采用金属锂作为负极活性物质、空气中的氧气作为正极活性物质，在不考虑氧气质量的情况下，具有高达约11428 Wh/kg的理论能量密度，是目前商业化锂离子电池的10倍以上，因此，备受研究者们的关注，被认为是最具发展前景的下一代高比能二次电池体系。然而，该体系的反应过程非常复杂、反应动力学非常缓慢且副反应非常严重，导致其充放电过电位较大、倍率性能和循环性能较差，尚不能实现商业化应用。该项目从催化的角度出发，开发了一系列有机化合物，作为锂空气电池的溶液相催化剂时，不仅可以显著地提升锂空气电池的反应动力学，而且可以有效地抑制相关副反应的发生，从而极大地提升了该体系的电化学性能。此外，通过结合一系列实验和理论研究，揭示了该溶液相催化剂的作用机理，为进一步开发新型溶液相催化剂提供了依据。主要研究内容和结果如下：.（1）设计合成了一种具有Lewis酸性位点的原创性钌联吡啶配合物（RuPC）溶液相催化剂，通过该Lewis酸性位点可以俘获具有Lewis碱性质的O2−中间产物，从而实现对锂空气电池反应路径的调控，不仅显著抑制了副反应，而且极大地改善了氧气正极钝化以及产物/电极界面差的问题，同时促进了反应的动力学，最终获得了优异的电化学性能。在此基础上，继续开发了一种具有Lewis酸性和碱性双重位点的亚碘酰苯（PhIO）溶液相催化剂，并首次将其应用于锂空气电池中，作用机理与RuPC类似，证明了所提出的机理的普适性。.（2）设计合成了一种具有氧化还原介质功能的钌氮磷配合物（(o-Ph2PC6H4NMe2)2RuCl2）溶液相催化剂，可以显著地提升Li2O2的氧化动力学；通过结合痕量H2O，可以进一步改善氧气正极的钝化问题并抑制副反应的发生，从而极大地降低了锂空气电池的充放电过电位，同时显著提升了锂空气电池的放电容量和循环寿命，实现了Li2O2的高度可逆生成和分解。