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来源：科学材料站
文章信息：
双金属的Fe-UiO-66金属有机框架：显著提升光辅助锂氧气电池性能
第一作者：杨玉婷
通讯作者：谢召军*，周震*
单位：南开大学，郑州大学
研究背景：
近年来，光活性金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）在光辅助锂氧气电池领域的应用取得了显著进展。通过精准的结构设计，MOFs材料展现出了优异的载流子分离效率和催化转化能力。尽管如此，充电过程中产生的高电位光生空穴会引发一系列副反应，这些反应不仅会加速电解液的分解，还会对电池的循环稳定性造成不利影响。为了应对这一技术难题，研究人员持续探索开发新型光活性材料，在提升电池的整体性能的同时确保其在使用中的长期可靠性。
文章简介：
近日，南开大学谢召军副教授与郑州大学周震教授研究团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Two Better Than One: Enhanced Photo-Assisted Li-O2 Batteries with Bimetallic Fe-UiO-66 Metal-Organic Framework Photocathodes ”的研究论文。
该论文通过引入具有双金属的 Fe-UiO-66金属有机框架作为光辅助锂氧气电池的正极活性材料，在提高放电平台的同时，有效降低了充电电位。Fe的引入扩展了UiO-66对可见光的吸收，并作为活性位点促进氧还原和氧析出反应。在光辅助锂氧气电池放电过程中，光生电子激发氧气生成超氧自由基，加速的氧还原过程促进膜状过氧化锂的形成。以Fe-UiO-66作为光电正极的锂氧气电池，光照下的过电位可以显著降低至0.14V，并且在500次的长循环测试中表现出了卓越的稳定性，显示出更强的动力学性能、更低的极化和更优越的可逆性。相关研究有助于推动光辅助锂氧气电池的实用性发展。
图1. Fe-UiO-66的制备和结构
本文要点：
要点一：提高锂氧气电池的往返效率
作者通过水热法成功合成了具有双金属的Fe-UiO-66金属有机框架，将其用作光辅助锂氧气电池的高效光电正极材料。得益于Fe-UiO-66优异的光催化ORR活性和更强的光响应电流，成功将光辅助锂氧气电池的放电电压提升到了3.42 V，超过了锂氧气电池2.96 V的平衡电位，而充电电压为3.56 V，将过电位降低到0.14 V，实现了高达96% 的往返效率。
图2. 光辅助锂氧气电池的电化学性能
要点二：电子转移路径与超氧自由基的影响
在锂氧气电池的化学反应过程中，过氧化锂的形成取决于电解质溶剂与超氧化锂中间体相互作用的强度。作者利用原位电子顺磁共振谱（EPR）研究光辅助过程中的电子转移机制，发现电子首先从Fe(III)转移到Zr-O团簇，然后进一步转移到氧气，并且氧气主要被还原为超氧自由基。通过密度泛函理论（DFT）计算发现，氧气主要吸附在Fe-UiO-66中的Fe位点上，易与锂离子反应形成超氧化锂，并向过氧化锂进行转化。
图3. 电池的循环性能及电子转移
要点三：光催化正极对放电产物形貌的影响
锂氧气电池在无光下趋于形成大块环状的过氧化锂放电产物，非导电的过氧化锂聚集在电极表面严重破坏活性位点与电解质之间的接触。而光照下的锂氧气电池，放电过程中快速的电子传导能够促进光电极上形成均匀分布的薄膜状产物，放电产物在充电后几乎全部消失，表明光照下的过氧化锂放电产物更容易被分解。得益于光辅助锂氧电池中高效的电荷转移和Fe(III)的高活性，Fe-UiO-66界面在光照循环后几乎与原始状态保持相同，光辅助技术为光能的利用和锂氧气电池的改进提供了一条新的途径，实现了光能向化学能，继而向电能的储存与转化，具有非常大的研究意义。
图4. 光照对放电产物的结构表征和形貌
文章链接：
Two Better Than One: Enhanced Photo-Assisted Li-O2 Batteries with Bimetallic Fe-UiO-66 Metal-Organic Framework Photocathodes
通 讯 作 者 简 介
谢召军副教授简介：2005年和2008年毕业于中国石油大学(华东)，分别获得工学学士和理学硕士学位；2011年毕业于南开大学化学学院有机化学专业，获得理学博士学位。现为南开大学材料科学与工程学院副教授。主要研究方向为有机电催化与空气电池，已在Adv. Mater.、Angew. Chem.和Energy Storage Mater.等期刊上发表第一或通讯作者论文20余篇。
周震教授简介：郑州大学化工学院院长、二级教授、博士生导师，“长江学者”特聘教授。主持国家重点研发计划项目课题和国家自然科学基金重点项目等研究。通过高通量计算、机器学习与实验相结合开展新能源研究。在国内外期刊发表论文350余篇。论文被引用40000余次，h-index为114。2014-2022年连续九年入围“爱思唯尔”中国高被引学者榜。2018-2022年连续五年入选“科睿唯安”全球高被引科学家。2020年入选英国皇家化学会会士(FRSC)。现为Journal of Materials Chemistry A和Green Energy and Environment等期刊副主编、Interdisciplinary Materials学术编辑、Journal of Power Sources机器学习专题编辑以及Batteries & Supercaps和《电化学》等七本期刊编委以及中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员、中国化学会理论化学专业委员会委员。
第 一 作 者 简 介
杨玉婷：2021年本科毕业于兰州大学材料物理专业，现为南开大学材料科学与工程学院材料学专业硕士研究生。主要研究方向是锂氧气电池。
课 题 组 介 绍