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文 章 信 息
I3-介导的氧析出活性用于探索低充电电位以及长循环寿命的锌空气电池
第一作者：邹小红
通讯作者：安亮*，张晓*，邵宗平*
单位：香港理工大学，科廷大学
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研 究 背 景
为了减少CO2的排放从而实现“碳中和”目标，寻找高效的能源存储与转换装置迫在眉睫。锌-空气电池具备高能量密度、环境友好和低成本等优势，受到了广泛的关注。然而，锌-空气电池的充电电压一般高于1.9 V，致使能量效率低；并且过高的充电电压会加剧催化剂的腐蚀，从而导致电池的循环寿命严重衰退。虽然已经开发了很多种类型的氧电催化剂（贵金属、碳材料、过渡金属化合物以及各种复合型催化剂）来降低锌-空气电池的充电电位和提升锌-空气电池的循环寿命，繁杂的合成方法和较高的材料成本使可充电锌-空气电池离实际应用还有很大的差距。此篇工作选择了商业化碳黑作为锌空气电池的正极氧催化剂，结合液相I3-氧化还原介质来介导锌-空气电池充电过程中的氧析出活性并调节负极侧Zn2+的均匀沉积，实现了锌-空气电池在超低充电过电位下的超长循环寿命。
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文 章 简 介
近日，来自香港理工大学的安亮教授、张晓教授联合科廷大学的邵宗平教授，在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表题为“I3--Mediated Oxygen Evolution Activities to Boost Rechargeable Zinc-Air Battery Performance with Low Charging Voltage and Long Cycling Life”的研究性论文。该论文采用乙炔黑催化剂实现I3-介导的锌-空气电池，利用ZnI2添加剂在充电过程中生成I3-，并与OH-发生化学反应生成氧气，I3-进一步还原为I-，从而获得稳定的充放电体系，同时实现锌-空气电池的低充电电位和长循环寿命。
图1. 具有不同浓度ZnI2添加剂的锌-空气电池的循环稳定性。
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本 文 要 点
要点一：I3-介导的氧析出反应
对于I氧化主导的锌-空气电池来说，I-在循环过程中逐渐氧化为IO3-，随着循环圈数的增加，电解液中IO3-的浓度也会逐渐增加，这加速了对催化剂的腐蚀，从而影响电池的循环稳定性。相比之下，对于I3-介导的氧析出反应，可逆的I3-/I-氧化还原过程不会影响电解液中I-的浓度，并且I3-可以与OH-自发反应生成氧气，显著降低了电池的充电电位，从而实现超长的循环稳定性。在标准三电极体系中进行CV测试深入分析氧化还原过程，可以发现乙炔黑催化剂在0.1 m KOH电解液中可以实现可逆的I3-/I-氧化还原反应，从而增强氧析出反应的活性。
图2. 乙炔黑催化剂在碱性介质中I3-/I-氧化还原反应的探索。
要点二：I3-介导氧析出反应的机制探索
为了进一步验证I3-介导氧析出反应的机制，首先采用原位紫外测试技术评估在锌-空气电池充/放电过程中I3-的浓度变化，证实在充电过程中随着充电的进行I3-的浓度也逐渐增加。在长期稳定性测试后电解液的XPS结果表明氧析出反应过程中没有IO3-生成，进一步证实主要发生I3-/I-氧化还原过程。接着采用模拟计算得到I3-与OH-的反应能垒为-7.73 eV，表明该化学反应为自发进行的。最后，结合电化学测试和模拟计算结果可知，在充电过程中，I-首先在碳催化剂上电化学氧化为I3-，然后I3-与OH-发生化学反应生成O2和I-，整个反应体系恢复到原始状态，这是碳黑催化剂在6 M KOH + 0.2 M Znl2电解液中优异循环稳定性的主要原因。
图3.I3-介导氧析出反应的机制探索。
要点三：锌-空气电池稳定性
使用碳黑催化剂组装的锌空气电池在含0.2 m ZnI2添加剂的电解液中可以实现稳定循环性超过600小时，并且最终充电电位保持在1.87 V左右。另外，使用高速相机可以观测到在含0.2 m ZnI2添加剂的电解液中碳催化剂表面产生小且密集的氧气泡，这主要得益于在碳催化剂表面均匀分散的I3-氧化还原介质。为了验证可充电锌-空气电池的商业应用前景，将6 M KOH + 0.2 M Znl2封装在聚合物PVA中获得凝胶电解质，组装的柔性锌-空气电池也实现了低的充电电压和长的循环稳定性。
图4.I3-介导锌-空气电池的稳定性。
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文 章 链 接
I3--Mediated Oxygen Evolution Activities to Boost Rechargeable Zinc-Air Battery Performance with Low Charging Voltage and Long Cycling Life
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202416235
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通 讯 作 者 简 介
安亮教授简介：香港理工大学机械工程学系副教授，于2008年获哈尔滨工业大学学士学位和2012年获香港科技大学博士学位。目前主要从事新能源转换与储存技术的基础研究。已发表SCI论文100余篇，主编燃料电池领域学术专著1部。主持或参与国家自然科学基金委及香港研究资助局多项研究课题。
张晓教授简介：香港理工大学机械工程学系助理教授，香港理工大学校长青年学者。2017年在新加坡南洋理工大学获得博士学位，2021年秋季就职于香港理工大学，主要从事新型层状材料的合成和制备、电化学反应器组装以及清洁能源的转化等研究。目前在Nature, Nat. Catal.、Nat. Chem.、Nat. Rev. Chem.、Nat. Commun.、Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际学术期刊上发表SCI论文100余篇，H因子65。受邀担任eScience, SmartMat等期刊青年编委，担任Nature Sustainability, Nature Commun., Joule, ACS nano, Chemical Engineering Journal等期刊独立审稿人。曾获“欧洲材料协会青年科学家奖”，于2020-2023年连续入榜全球“高被引科学家”。
邵宗平教授简介：目前是澳大利亚科廷大学的John Curtin Distinguished Professor，主要研究领域包括燃料电池/电解池（固体氧化物燃料电池/电解池），陶瓷分离膜，低温氧催化、氢催化反应，钙钛矿太阳能电池，锂/钠/锌离子电池，超级电容器，水处理，传感器等。已在Nature (5)、Science (1)、Nat. Energy (2)、Nat. Catal. (1)、Nat. Commun. (11)等国际期刊发表SCI论文900余篇。发表的论文引用77000余次，h-index为133，分别于2014、2017-2023年入选世界高被引科学家。是国际期刊Energy & Fuels、Materials Reports: Energy副主编，是《南京工业大学学报（自然科学版）》、Scientific Report、Energy Science & Engineering及材料导报、热科学与技术等学术期刊编委，是Journal of Materials Chemistry A、Energy Materials、Exploration、Nanomaterials等期刊顾问编委。
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