清华化工系张强课题组在金属空气电池双功能催化领域取得重要进展

导读

近日，清华大学化学工程系张强教授课题组在金属空气电池双功能催化领域取得突破性成果。研究团队基于数据驱动，创造了水系双功能（氧还原与氧析出反应）催化ΔE=0.57 V的活性纪录，为水系金属空气电池的设计与开发提供了新的思路。

以锌空气电池为代表的水系金属空气电池因其高理论能量密度、固有安全性和低成本优势被视作极具潜力的下一代电化学储能技术。然而，其正极侧氧还原与氧析出反应动力学极为惰性，致使电池能量效率低、副反应严重、循环寿命短。开发促进氧还原与氧析出反应的双功能催化剂是推动水系金属空气电池迈向实用化的关键策略。双功能催化电压差（ΔE）通常被用来定量评估催化活性，追求更低的ΔE值是过去20年中金属空气电池双功能催化领域的核心任务。经过20年的探索，双功能催化剂的活性已经于2021年达到了ΔE=0.63 V的性能边界。然而在其后的三年内，双功能催化活性始终无法得到进一步提升，打破尘封的活性纪录对推动水系金属空气电池的实用化至关重要。针对这一现状，张强课题组基于数据驱动理性设计催化结构，实现了双功能催化活性的突破，创造了ΔE=0.57 V的活性纪录。

图1.数据驱动“材料基因组”赋能双功能催化活性创纪录

随着数据分析及人工智能技术的快速发展，科学研究范式从传统的实验试错法向数据驱动方法转变，为突破双功能催化活性的上限提供了新的机遇。张强课题组采用大数据方法系统地建立了双功能催化构效关系的“材料基因组”，基于领域内已报道的247种双功能催化剂的“位点-组分-性能”统计分布，筛选抽提超高活性的氧还原/氧析出催化位点组合，并通过理性设计构筑复合双功能催化剂。得益于数据驱动的指导，复合双功能催化剂创纪录地实现了ΔE=0.57 V的超高催化活性。这一活性不仅超越了商用贵金属催化剂，同时打破了双功能催化活性尘封三年的纪录。电化学分析表明，采用数据驱动筛选所得到的组分不仅能够提供高活性催化位点，同时形成了协同效应，进一步增强了催化位点面向氧还原和氧析出反应的活性。

在双功能催化活性突破的基础上，张强课题组对水系金属空气电池的实用化潜力开展探索，设计研发了安时级电池器件。器件单体能够提供安时级容量，能够在面向极端温域、高面容量、高倍率等场景中实现稳定储能。

相关研究成果近期以“数据驱动实现ΔE=0.57 V创纪录活性的双功能催化剂用于安时级锌空气电池”（A data-driven bifunctional oxygen electrocatalyst with a record-breaking ∆E=0.57 V for ampere-hour-scale zinc–air batteries）为题，发表于《焦耳》（ Joule）杂志。

清华大学化工系张强教授与北京理工大学李博权副研究员为论文通讯作者。清华大学化工系2020级博士生刘嘉宁为论文第一作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江阴-清华创新引领行动专项、鄂尔多斯-清华大学碳中和协同创新专项等的支持。

论文链接：https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(24)00152-1

来源：清华大学