近日，汕头大学化学化工学院（碳中和未来技术学院）段连峰教授团队在“过渡金属氧化物高效催化锂空气电池”研究领域取得新进展。相关研究成果以“The Surface Electronic Structure Reconstruction of Co_2.85Mn_0.15O₄ with High Active Sites for High-Efficient Lithium−Oxygen Batteries”为题发表在化学材料领域TOP期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》（影响因子9.224）。

论文链接：https://doi.org/ 10.1021/acssuschemeng.3c00338

具体成果介绍

锂空气电池具有超高的能量密度，受到研究人员的广泛关注。但锂空气电池中的氧还原反应（ORR）和氧析出反应(OER)活性低，严重阻碍了其充放电循环。因此对于锂空气电池而言，阴极催化剂的设计和使用非常重要。尖晶石结构的Co₃O₄氧化物具有结构稳定、氧空位丰富，Co价态可调等诸多优点，是一种良好的锂空气电池阴极催化剂。有文献报道，调节阴阳离子比例和Co的配位状态能够影响Co₃O₄的ORR和OER活性。然而，当前研究者们大多只关注氧化物材料的晶体结构，对电子结构的控制较少。

该成果通过引入Mn³⁺离子去调控Co₃O₄中Co²⁺和Co³⁺配比，合成了Co_2.85M_0.15O₄（M = Mn， Fe， Ni） 和纯 Co₃O₄纳米棒作为阴极催化剂。Co_2.85Mn_0.15O₄性能最佳，实现了3.25V的低电压充电和100圈的大电流（1000 mA g^-1）放电。该催化剂的优越性主要因其表面Co³⁺富集和Mn³⁺离子的协同作用。此外在该项工作中，研究团队发现并证明了Co3O4类氧化物中存在“表面电子重构”效应：即充电过程中Co3+/Co2+之比为1.07，放电后其比例提升至1.72。该过程循环可逆，是Co_2.85M_0.15O₄参与并影响电池反应的证据之一。该项工作能够促进锂空气电池的发展应用，减少电池阴极催化剂中贵金属的使用。

该论文第一作者为汕头大学硕士研究生谢振程，通讯作者为王俊凯博士和段连峰教授，该工作得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省高校科研基金专项项目以及广东省能源转换材料与重点实验室开放项目基金的资助。                                        

(右起第6位为通讯作者段连峰教授，右起第5位为第一作者谢振程)

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