摘要
锂-氧气电池(Lithium-Oxygen Batteries,Li-O2Batteries)凭借高能量密度引起了全球科研界和产业界的广泛关注，已成为下一代电池技术研究中备受瞩目的能量转换解决方案。然而，当前Li-O2电池面临许多科学和技术挑战，阻碍了其大规模商业应用的实现。由于正极放电期间的氧还原反应(OxygenReduction Reaction,ORR)和充电期间的氧析出反应(Oxygen Evolution Reaction,OER)动力学缓慢，Li-O2电池的效率较低。电池性能也受到正极上寄生产物过度积累的影响，导致分解能垒增加、往返效率降低和过电位上升。研究人员陆续报道了多种催化剂用于解决上述问题，虽然这些催化剂在一定程度上改善了 Li-O2电池的电化学性能，但未能充分阐明其内在催化机制，限制了高效催化剂的进一步设计和开发。此外，对于Li-O2电池，其固体催化剂的活性位点主要局限于与固体产物Li2O2的直接接触界面，削弱了催化效率并减少了催化剂的有效利用。相较而言，可溶性催化剂能够在电解液中均匀分布，使得它们能够更全面地与Li2O2产物接触，从而有效提高催化效率。为了明确Li-O2电池催化剂发展的具体研究方向，本文对传统固体催化剂和可溶性催化剂进行了深入分析，并探讨了它们的催化机制。具体研究内容如下: 通过电化学方法，将Li+嵌入到RuO2晶格的间隙中，从而制备了 LixRuO2材料，用作Li-O2电池的高效正极催化剂，其中Li+浓度可通过电化学参数进行调控。结果表明，Li+有助于优化RuO2的电子结构，促使电子从Li位点向Ru位点转移，导致Ru的价态逐渐降低，Ru位点周围部分电子再向O位点转移，导致更多空位氧形成，进而显著提高了催化活性。电化学性能测试显示，作为Li-O2电池正极催化剂的LixRuO2显著增加了放电容量和电池的循环寿命，同时降低了充电电压，从而提高了电池的整体稳定性。这项工作深入探讨了利用电化学方法将Li+嵌入到RuO2中来调节其电子结构的优势，为高效Li-O2电池正极催化剂的开发与设计提供了新思路。 将乙酰丙酮铱(Ir(acac)3)作为Li-O2电池多功能的可溶性催化剂。分析验证了 Ir(acac)3的催化机制，结果表明，Ir(acac)3可与O2-相互作用形成一种可逆的过渡态复合物(Ir(acac)3-O2-)，从而有效调节充放电反应途径。在充电过程中，Ir(acac)3作为氧化还原介质，促进了 Li2O2的分解。通过原位UV-vis测量9,10-二甲基蒽(9,10-Dimethylanthracene，DMA)浓度的变化间接监测单线态氧( Singlet Oxygen,1O2)产生，表明Ir(acac)3使Li-O2电池充电电压降低，抑制1O2的生成，从而减少了寄生反应。因此，添加Ir(acac)3的Li-O2电池表现出大的放电容量、高的能量效率和更好的循环稳定性。以上研究说明了开发多功能可溶性催化剂的必要性，揭示了其内在催化机理，为可溶性催化剂的设计提供了参考。
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