近日，我所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508组）吴忠帅研究员团队与纳米与界面催化研究组（502组）包信和院士团队合作，在锂氧气电池正极高效双功能催化剂研究方面取得新进展：开发出高活性（101）晶面占优的二维Mn₃O₄/石墨烯复合催化剂材料，构建出高容量、长寿命锂氧气电池。
　　锂氧气（Li-O₂）电池具有超高理论能量密度（3500Wh/kg），被广泛认为是未来最有潜力的高比能电池之一。由于空气正极的催化活性较差，严重阻碍了其商业化发展。研究发现，设计具有特定形貌和高活性暴露晶面的双功能氧催化剂，能够有效调控固—液—气三相界面处的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）。

　　本工作中，科研人员利用晶面工程，设计并研制出高活性（101）晶面占优且富含氧空位的石墨烯负载Mn₃O₄纳米片（Mn₃O₄ NS/G），并利用其作为正极双功能催化剂，构建出高容量、长寿命锂氧气电池，获得了0.86V的较低过电位，明显优于（211）晶面的Mn₃O₄/石墨烯材料（1.15V）。研究发现，Mn₃O₄ NS/G基Li-O₂电池表现出超高的放电比容量（35583mAh/g，基于催化剂质量）及在130圈（1300h）内优异的长循环稳定性，优于大多数锰基Li-O₂电池。实验和理论研究进一步证明，与Mn₃O₄（211）相比，Mn₃O₄（101）对Li₂O₂的吸附能较低，在充电过程中有利于Li₂O₂的分解，从而大幅降低充电过电势。该工作为设计高效双功能催化剂与构建高性能锂氧气电池提供了新思路。
　　相关研究成果以“Two-Dimensional Mn₃O₄ Nanosheets with Dominant (101) Crystal Planes on Graphene as Efficient Oxygen Catalysts for Ultrahigh Capacity and Long-Life Li–O₂ Batteries”为题，于近日发表在ACS Catalysis上。该工作的第一作者是我所508组博士研究生李月娇。上述工作得到国家自然科学基金、中科院洁净能源创新研究院合作基金等项目的资助。（文/图 李月娇）
　　论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c02544