清華新聞網(wǎng)4月18日電 近日，清華大學(xué)化學(xué)工程系張強(qiáng)教授課題組在金屬空氣電池雙功能催化領(lǐng)域取得突破性成果。研究團(tuán)隊(duì)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，創(chuàng)造了水系雙功能（氧還原與氧析出反應(yīng)）催化ΔE=0.57 V的活性紀(jì)錄，為水系金屬空氣電池的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了新的思路。
以鋅空氣電池為代表的水系金屬空氣電池因其高理論能量密度、固有安全性和低成本優(yōu)勢(shì)被視作極具潛力的下一代電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。然而，其正極側(cè)氧還原與氧析出反應(yīng)動(dòng)力學(xué)極為惰性，致使電池能量效率低、副反應(yīng)嚴(yán)重、循環(huán)壽命短。開發(fā)促進(jìn)氧還原與氧析出反應(yīng)的雙功能催化劑是推動(dòng)水系金屬空氣電池邁向?qū)嵱没年P(guān)鍵策略。雙功能催化電壓差（ΔE）通常被用來(lái)定量評(píng)估催化活性，追求更低的ΔE值是過(guò)去20年中金屬空氣電池雙功能催化領(lǐng)域的核心任務(wù)。經(jīng)過(guò)20年的探索，雙功能催化劑的活性已經(jīng)于2021年達(dá)到了ΔE=0.63 V的性能邊界。然而在其后的三年內(nèi)，雙功能催化活性始終無(wú)法得到進(jìn)一步提升，打破塵封的活性紀(jì)錄對(duì)推動(dòng)水系金屬空氣電池的實(shí)用化至關(guān)重要。針對(duì)這一現(xiàn)狀，張強(qiáng)課題組基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)理性設(shè)計(jì)催化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了雙功能催化活性的突破，創(chuàng)造了ΔE=0.57 V的活性紀(jì)錄。
圖1.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)“材料基因組”賦能雙功能催化活性創(chuàng)紀(jì)錄
隨著數(shù)據(jù)分析及人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，科學(xué)研究范式從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)法向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法轉(zhuǎn)變，為突破雙功能催化活性的上限提供了新的機(jī)遇。張強(qiáng)課題組采用大數(shù)據(jù)方法系統(tǒng)地建立了雙功能催化構(gòu)效關(guān)系的“材料基因組”，基于領(lǐng)域內(nèi)已報(bào)道的247種雙功能催化劑的“位點(diǎn)-組分-性能”統(tǒng)計(jì)分布，篩選抽提超高活性的氧還原/氧析出催化位點(diǎn)組合，并通過(guò)理性設(shè)計(jì)構(gòu)筑復(fù)合雙功能催化劑。得益于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的指導(dǎo)，復(fù)合雙功能催化劑創(chuàng)紀(jì)錄地實(shí)現(xiàn)了ΔE=0.57 V的超高催化活性。這一活性不僅超越了商用貴金屬催化劑，同時(shí)打破了雙功能催化活性塵封三年的紀(jì)錄。電化學(xué)分析表明，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)篩選所得到的組分不僅能夠提供高活性催化位點(diǎn)，同時(shí)形成了協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了催化位點(diǎn)面向氧還原和氧析出反應(yīng)的活性。
在雙功能催化活性突破的基礎(chǔ)上，張強(qiáng)課題組對(duì)水系金屬空氣電池的實(shí)用化潛力開展探索，設(shè)計(jì)研發(fā)了安時(shí)級(jí)電池器件。器件單體能夠提供安時(shí)級(jí)容量，能夠在面向極端溫域、高面容量、高倍率等場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定儲(chǔ)能。
相關(guān)研究成果近期以“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)ΔE=0.57 V創(chuàng)紀(jì)錄活性的雙功能催化劑用于安時(shí)級(jí)鋅空氣電池”（A data-driven bifunctional oxygen electrocatalyst with a record-breaking ?E=0.57 V for ampere-hour-scale zinc–air batteries）為題，發(fā)表于《焦耳》（Joule）雜志。
清華大學(xué)化工系張強(qiáng)教授與北京理工大學(xué)李博權(quán)副研究員為論文通訊作者。清華大學(xué)化工系2020級(jí)博士生劉嘉寧為論文第一作者。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、江陰-清華創(chuàng)新引領(lǐng)行動(dòng)專項(xiàng)、鄂爾多斯-清華大學(xué)碳中和協(xié)同創(chuàng)新專項(xiàng)等的支持。
論文鏈接：
https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(24)00152-1
供稿：化工系
題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
