文锐JACS: 锂氧电池中催化正极的形态演变与表面反应性之间的相关性

锂氧（Li-O₂）电池在长期运行过程中会出现催化正极的降解，这限制了其实际应用。揭示纳米级催化正极的表面形态演变与其在循环过程中的催化活性之间的直接相关性具有挑战性。

在此，中科院化学所文锐研究员等人使用原位电化学原子力显微镜（AFM）探索了Li-O₂电池中Pt纳米颗粒电极的形态演变及其对Li-O₂界面反应的影响。原位观察表明，在氧化还原循环（ORCs）过程中电极表面形貌的变化强烈影响 Li-O₂界面反应。

具体而言，在第一次ORC期间，粒径约为5 nm的Pt纳米颗粒电极主要通过表面介导的途径促进O₂的还原，以产生具有纳米片结构的放电产物 Li₂O₂。ORCs可以引发Pt纳米颗粒尺寸的增加，这主要通过ORR上的溶液介导途径促进具有大尺寸环形结构的Li₂O₂的生长并显著提高电池的放电容量。

图1. Pt 纳米粒子电极形貌和催化行为的演化机制示意图

接下来，经过250次ORCs后，Pt 纳米颗粒与电极基底之间的相互作用减弱，导致部分Pt从电极上脱离。在这种情况下，Li₂O₂在放电过程中的成核和生长电位降低，电池的容量和可逆性明显降低。

此外，作者发现在Pt纳米颗粒电极上修饰适量的Au纳米颗粒可以抑制电极在循环过程中的形貌演变从而提高电极稳定性，同时保持其高催化活性。上述结果为理解放电/充电循环过程中催化正极的表面形态演变与Li-O₂电化学/化学反应之间的相关性提供了直接证据。

图2. 修饰Au纳米粒子提高Pt纳米粒子电极的稳定性

Revealing the Correlations between Morphological Evolution and Surface Reactivity of Catalytic Cathodes in Lithium-Oxygen Batteries, Journal of the American Chemical Society 2021. DOI: 10.1021/jacs.1c09700