北京大学郭少军Angew.：路易斯酸性PtIr多枝状物结构实现高性能锂氧电池

通讯作者：郭少军

通讯单位：北京大学

高过电位和寄生反应的缓慢氧反应动力学是非质子锂氧(Li-O2)电池面临的主要挑战。设计用于加速氧反应动力学的高效催化剂对于开发高性能Li-O2电池至关重要。

北京大学郭少军教授课题组制备了具有低路易斯酸度Pt原子的多枝状的PtIr，首先被用作高性能Li-O2电池的有效阴极催化剂。相关工作以“Lewis-Acidic PtIr Multipods Enable High-performance Li-O2 Batteries”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

图1. (a)Li-O2电池示意图(左)和用于阴极的PtIr的制备(右)。(b，c)PtIr的低分辨率TEM。(d)Pt纳米晶体和PtIr的XRD。(e)PtIr的元素分布，Pt标记为红色，Ir标记为蓝色。(f)PtIr的Pt和Ir元素的线性分布。(g)PtIr的放大HR-TEM。(h)从(g)中的黄色虚线方块中提取的PtIr的积分像素强度。(i)PtIr的能量色散X射线光谱。

要点1. 密度泛函理论(DFT)计算表明，由于Pt比Ir具有更高的电负性，因此电子更倾向于从Ir原子转移到Pt原子，导致PtIr表面上的Pt原子的路易斯酸度低于纯Pt表面上的路易斯酸度。

要点2. PtIr表面上Pt原子的低路易斯酸性导致高电子密度和d带中心下移，从而削弱了对中间体(LiO2)的固有结合能，实现氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的低过电位。

要点3. 基于PtIr阴极电极的Li-O2电池表现出非常低的放电/充电总体过电位(0.44 V)和出色的循环稳定性(180次循环)，优于大量报道的基于贵金属的阴极。

图2. (a)Pt和PtIr阴极在0.1 A g-1完全放电和充电条件下的恒电流曲线。(b)Pt和PtIr电极在放电和充电过程中的恒电流曲线，在0.1 A g-1时容量为1000 mAh g-1。(c)具有Pt和PtIr阴极的Li-O2电池的CV，0.05 mV s-1。插图Tafel曲线：Pt和PtIr阴极的交换电流密度。(d)PtIr阴极的倍率性能(PtIr含量：80wt%)。Pt(e)和PtIr(f)阴极的循环性能。(f)中的插图是从第1次、第50次、第100次和第150次循环中提取的PtIr阴极的放电-充电曲线。(g)PtIr催化剂与之前报告中其他贵金属基催化剂之间的循环寿命和电荷过电位的比较。

图3. (a)PtIr的Bader电荷模拟。(b)Pt和PtIr催化剂在Pt 4f区域的XPS。(c)UPS得到的Pt和PtIr的价带谱(VBS)。插图分别是LiO2在Pt和PtIr催化剂的(111)平面上的吸附能。(d，e)Pt和PtIr阴极在零、平衡、放电和充电电压下的吉布斯自由能。(d)和(e)中的插图是Pt和PtIr阴极在相应充电步骤中具有吸附物的优化结构。Pt(f)和PtIr(g)阴极的放电-充电机制示意图。

链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202114067

郭少军，北京大学教授。首届科学探索奖获得者、英国皇家化学学会会士。吉林大学化学学士，中科院应化所博士，布朗大学博士后，美国国家实验室奥本海默学者。长期在交叉学科领域从事能源材料研究，聚焦于电催化与储能电池。独立工作后以通讯作者在高水平期刊发表论文多篇，其中包括1篇Nature，1篇Science，12篇Nature/Science/Cell系列和38篇Adv. Mater./Angew. Chem. Int. Ed./JACS。h-因子为95（谷歌），连续六年入选全球高被引科学家榜单（2014-2019：化学；2019：材料科学）。受邀在国际会议上作特邀报告30余次。兼任ACS Omega副主编，ScienceChina Materials和Science Bulletin等7个国内外杂志的编委。兼任北京化学会理事等学术职务。曾获英国皇家化学会Journalof Materials Chemistry讲座奖、北京首届杰青、爱思唯尔中国高被引学者、国际电化学会应用电化学奖、中国青年分析化学家奖、中国电化学会青年科学家奖等荣誉和奖励。