高比能量鋰空氣電池是未來大容量純電動汽車潛在的動力電源技術(shù)之一，然而由于充電動力學(xué)速率低限制了其實際性能的提升，導(dǎo)致其過電位高、循環(huán)性能差、電流密度低、電極材料不穩(wěn)定、電解質(zhì)分解等問題。發(fā)展廉價、高活性催化劑，提高反應(yīng)速率是鋰空氣電池的研究熱點。過去五年有超過900多篇相關(guān)論文，70多種催化劑被大量嘗試，但研究工作缺乏設(shè)計和系統(tǒng)性。開展材料的設(shè)計與計算，將計算與實驗結(jié)合，是快速推進鋰空氣電池研究的重要途徑，并推動“材料基因組”發(fā)展。
 

中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員劉建軍與溫兆銀合作，將理論計算與電化學(xué)實驗驗證結(jié)合，針對幾種典型的過渡金屬氧化物、碳化物、氮化物開展計算研究，建立了鋰離子脫附與析氧反應(yīng)勢壘與催化劑的表面酸性相關(guān)規(guī)律的理論模型，預(yù)測了2.4-3.1 eV的表面酸性范圍內(nèi)催化劑的高活性，提出了Co₃O₄，CoO，Mo₂C，TiC以及TiN等幾種高活性催化劑。通過CoO與Co₃O₄體系的過電位、循環(huán)壽命等電化學(xué)性能的對比性實驗驗證了所提出的理論模型與材料體系。研究成果發(fā)表于Journal of the American Chemical Society（10.1021/jacs.5b07792）。

　　
溫兆銀帶領(lǐng)的課題組設(shè)計和制備成功具有(111)面優(yōu)先生長的Co₃O₄無支撐催化劑，并獲得了優(yōu)異的容量、極化等電化學(xué)性能，研究結(jié)果發(fā)表在Energy & Environmental Science（2011,4, 4727），劉建軍帶領(lǐng)的研究小組將第一性原理計算與熱力學(xué)分析結(jié)合建立O₂/Li₂O₂/Co₃O₄的三相界面模型，揭示了Co₃O₄(111)面具有高催化活性的機制，進一步驗證了表面酸性與催化活性關(guān)系的理論預(yù)測。研究成果發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會的刊物ACS Catalysis（2015, 5, 73）上。

　　
相關(guān)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重點與面上項目、中科院百人計劃與重點部署等項目的支持。
 

 

圖1.鋰空氣電池過電位-催化劑表面酸性的關(guān)系與催化劑預(yù)測(上)，及Co₃O₄與CoO體系的實驗驗證結(jié)果(下)。

 

圖2.無支撐催化劑的設(shè)計及制備的Co₃O₄催化劑微結(jié)構(gòu)

 

　　圖3.第一性原理熱力學(xué)計算Co₃O₄（111）與（110）表面催化Li₂O₂分解機理，晶面效應(yīng)的電荷分析，及過渡金屬摻雜Co₃O₄(111)的催化性能優(yōu)化。