近日，我所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組（508組）吳忠帥研究員團隊與納米與界面催化研究組（502組）包信和院士團隊合作，在鋰氧氣電池正極高效雙功能催化劑研究方面取得新進展：開發出高活性（101）晶面占優的二維Mn₃O₄/石墨烯復合催化劑材料，構建出高容量、長壽命鋰氧氣電池。

　　鋰氧氣（Li-O₂）電池具有超高理論能量密度（3500Wh/kg），被廣泛認為是未來最有潛力的高比能電池之一。由于空氣正極的催化活性較差，嚴重阻礙了其商業化發展。研究發現，設計具有特定形貌和高活性暴露晶面的雙功能氧催化劑，能夠有效調控固—液—氣三相界面處的氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）。

　　本工作中，科研人員利用晶面工程，設計并研制出高活性（101）晶面占優且富含氧空位的石墨烯負載Mn₃O₄納米片（Mn₃O₄ NS/G），并利用其作為正極雙功能催化劑，構建出高容量、長壽命鋰氧氣電池，獲得了0.86V的較低過電位，明顯優于（211）晶面的Mn₃O₄/石墨烯材料（1.15V）。研究發現，Mn₃O₄ NS/G基Li-O₂電池表現出超高的放電比容量（35583mAh/g，基于催化劑質量）及在130圈（1300h）內優異的長循環穩定性，優于大多數錳基Li-O₂電池。實驗和理論研究進一步證明，與Mn₃O₄（211）相比，Mn₃O₄（101）對Li₂O₂的吸附能較低，在充電過程中有利于Li₂O₂的分解，從而大幅降低充電過電勢。該工作為設計高效雙功能催化劑與構建高性能鋰氧氣電池提供了新思路。

　　相關研究成果以“Two-Dimensional Mn₃O₄ Nanosheets with Dominant (101) Crystal Planes on Graphene as Efficient Oxygen Catalysts for Ultrahigh Capacity and Long-Life Li–O₂ Batteries”為題，于近日發表在ACS Catalysis上。該工作的第一作者是我所508組博士研究生李月嬌。上述工作得到國家自然科學基金、中科院潔凈能源創新研究院合作基金等項目的資助。（文/圖 李月嬌）

　　論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c02544