北大深研院潘鋒&楊盧奕ACS Nano: 利用陽離子插層化學催化電池中的轉化型反應

一、 【導讀】?

催化反應在化工生產、制藥以及廢物處理等各方面都有廣泛應用。電化學催化反應主要依賴于氧化還原反應中間體作為電荷轉移媒介降低反應能壘，在電化學儲能系統中同樣存在氧化還原反應中間體協助電荷轉移從而達到降低反應過電位的目的。轉化型反應體系具有非常可觀的能量密度，比如金屬-氧氣，金屬-硫，金屬-二氧化碳電池體系等，然而這些體系中的反應物和產物導電性差，從而導致了高的過電位、低的能量利用效率以及差的循環和倍率性能。

Na₂CO₃是一種常見且價格低廉的化學材料，在鈉離子電池體系中具有超高的理論脫鈉比容量（> 500 mAh g^-1），是較為理想的化學補鈉材料。同時Na₂CO₃也是Na-CO₂電池的一個重要反應產物，其分解反應也決定了Na-CO₂電池的電化學性能。然而，由于Na₂CO₃本征極低的導電率，導致在電池體系中的應用高度受限，會造成較大的過電位和較低的能量轉換效率。因此，對于相關工作機理的研究以及尋找更有效的氧化還原反應中間體一直是該領域的一個重大挑戰。

二、【成果掠影】

ACS Nano期刊收錄了北京大學深圳研究生院潘鋒教授和楊盧奕副研究員利用陽離子插層化學催化電池中的轉化型反應的最新成果。目前依賴于氧化還原反應中間體輔助的催化反應主要發生在固-氣、固-液或者是固-固界面，因此催化效率主要取決于界面反應活性位點。該文展示了一種經濟且高效的策略，即通過將常見的鋰離子電池層狀正極材料鈷酸鋰（LiCoO₂）作為初始材料，該材料在脫鋰狀態下能夠充當插層氧化還原反應中間體與Na₂CO₃反應將Na⁺儲存在層間，并且在更高電位下將Na⁺釋放，從而實現了更為高效的Na₂CO₃分解反應。該策略能夠被應用于電池補鈉以及Na-CO₂電池領域，并且也為更多轉化型反應體系以及新材料的應用提供了可能的途徑。

相關研究成果以“Exploiting cation intercalating chemistry to catalyze conversion-type reactions in batteries”為題發表在ACS Nano.

?三、【數據概覽】

圖1? Na₂CO₃電化學氧化過程中的原位形貌變化觀察。

圖2? Na⁺在LiCoO₂中的插層反應表征。

圖3? Na₂CO₃分解反應機理示意圖。?

圖4? LiCoO₂的加入對于（a-c）Na-CO₂電池以及（d-f）層狀正極補鈉性能的提升。

四、【成果總結】

本文展示一種簡單且經濟高效的方法，即通過將層狀的LiCoO₂進行電化學脫鋰后形成Li_1-xCoO₂，與Na₂CO₃發生化學反應，自發在層間嵌Na⁺形成Na_yLi_1-xCoO₂氧化還原反應中間體，促進了Na₂CO₃的分解轉化反應。不同于傳統的依賴于表面有限位點吸脫附來進行的催化反應，本文揭示了一種基于體相中陽離子插層反應的電化學氧化還原介體（redox mediator）。該研究發現不僅可用于降低Na-CO₂電池的充放電反應過電位，同時還可用于鈉離子電池的補鈉操作。該研究發現也為未來開發利用更多新型的儲能材料體系提供了可能。

原文鏈接：Huang, W.; Qiu, J.; Ji, Y.; Zhao, W.; Dong, Z.; Yang, K.; Yang, M.; Chen, Q.; Zhang, M.; Lin, C.; Xu, K.; Yang, L.; Pan, F. Exploiting cation intercalating chemistry to catalyze conversion-type reactions in batteries. ACS Nano 2023, https://doi.org/10.1021/acsnano.2c11029.

五、【作者介紹】

潘鋒（通訊作者），北京大學講席教授，博士生導師，北京大學深圳研究生院副院長和新材料學院創院院長。潘鋒教授于1985年本科畢業于北京大學化學系，1988年在中科院福建物構所獲得碩士學位，1994年在英國Strathclyde大學獲得博士學位及最佳博士論文獎，同年在瑞士ETH從事博士后研究。潘鋒教授長期致力于結構化學和材料基因的探索、電池和催化材料的結構與性能及應用研究，在Nature、Nature Energy、Nature Nanotech、Science Advance、Joule、Chem、Journal of American Chemistry Society、Angewandt Chemie、Advanced Energy Materials、Advanced Materials等國際知名期刊發表SCI論文380余篇。潘鋒教授于2020年任《結構化學》雜志執行主編，曾獲2021年“中國電化學貢獻獎”、2018年美國電化學學會“電池科技獎”、2016年國際電動車鋰電池協會杰出研究獎等。

楊盧奕（通訊作者），北京大學新材料學院副研究員。目前主要開展下一代儲能材料的制備與表征研究，在電池領域以第一作者或通訊作者在Joule, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Science Bulletin, Energy Storage Materials, Small等國內外JCR一區雜志中發表論文40余篇。

本文由XXX供稿