新型半導體催化劑 讓陽光助力「空氣發電」

 「吸」入空氣中的氧氣，經過簡單的化學反應，就可以實現放電；充電時，放電產物通過可逆反應被分解，又重新釋放出氧氣。鋰—氧氣電池正在讓「空氣發電」的奇思妙想走進現實。
  科技日報記者4月23日獲悉，南開大學化學學院李福軍研究員團隊研究獲得一種具有表面等離激元增強效應的新型半導體催化劑，首次將可見光引入鋰—氧氣電池中，顯著提昇了正極反應動力學，有效降低了電池充/放電過程的極化，開闢了構築高效金屬—空氣電池的新思路。日前，介紹該工作的論文發表在國際頂級學術刊物《美國科學院院刊》上。
  據介紹，「空氣發電」被認為是極具發展前景的下一代電池體系，但其正極遲滯的反應動力學導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—氧氣電池發展和應用的腳步。
  光激發半導體產生的光電子和空穴可極大提昇電化學反應動力學。採用能帶結構合適的半導體材料，將光引入鋰—氧氣電池中，可顯著提昇正極反應動力學，降低充/放電過電壓。
  目前採用的半導體光吸收主要集中在紫外光區，僅占太陽光譜的4%。李福軍團隊研究發現，金納米顆粒的等離激元增強效應可大幅提昇可見光的吸收，提昇氧氣還原反應動力學，促進放電產物過氧化鋰的生成；充電時，空穴在外加電壓驅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。」李福軍說。
  改進後的鋰—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化成電能輸出；充電時，光能被轉化成化學能存儲在鋰—氧氣電池中，使充電電壓下降，電池的充/放電電壓差減小，同時也獲得了優異的電池倍率性能和循環穩定性。
  李福軍表示，這項新的突破將能直接將光能在電池中實現轉化和存儲，將為太陽能發電和存儲提供新策略。