中國儲能網(wǎng)訊：近日，清華大學化學工程系張強教授課題組在金屬空氣電池雙功能催化領域取得突破性成果。研究團隊基于數(shù)據(jù)驅動，創(chuàng)造了水系雙功能（氧還原與氧析出反應）催化ΔE=0.57 V的活性紀錄，為水系金屬空氣電池的設計與開發(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)勢被視作極具潛力的下一代電化學儲能技術。然而，其正極側氧還原與氧析出反應動力學極為惰性，致使電池能量效率低、副反應嚴重、循環(huán)壽命短。開發(fā)促進氧還原與氧析出反應的雙功能催化劑是推動水系金屬空氣電池邁向實用化的關鍵策略。雙功能催化電壓差（ΔE）通常被用來定量評估催化活性，追求更低的ΔE值是過去20年中金屬空氣電池雙功能催化領域的核心任務。
經(jīng)過20年的探索，雙功能催化劑的活性已經(jīng)于2021年達到了ΔE=0.63 V的性能邊界。然而在其后的三年內，雙功能催化活性始終無法得到進一步提升，打破塵封的活性紀錄對推動水系金屬空氣電池的實用化至關重要。針對這一現(xiàn)狀，張強課題組基于數(shù)據(jù)驅動理性設計催化結構，實現(xiàn)了雙功能催化活性的突破，創(chuàng)造了ΔE=0.57 V的活性紀錄。
隨著數(shù)據(jù)分析及人工智能技術的快速發(fā)展，科學研究范式從傳統(tǒng)的實驗試錯法向數(shù)據(jù)驅動方法轉變，為突破雙功能催化活性的上限提供了新的機遇。張強課題組采用大數(shù)據(jù)方法系統(tǒng)地建立了雙功能催化構效關系的“材料基因組”，基于領域內已報道的247種雙功能催化劑的“位點-組分-性能”統(tǒng)計分布，篩選抽提超高活性的氧還原/氧析出催化位點組合，并通過理性設計構筑復合雙功能催化劑。得益于數(shù)據(jù)驅動的指導，復合雙功能催化劑創(chuàng)紀錄地實現(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，同時打破了雙功能催化活性塵封三年的紀錄。電化學分析表明，采用數(shù)據(jù)驅動篩選所得到的組分不僅能夠提供高活性催化位點，同時形成了協(xié)同效應，進一步增強了催化位點面向氧還原和氧析出反應的活性。
在雙功能催化活性突破的基礎上，張強課題組對水系金屬空氣電池的實用化潛力開展探索，設計研發(fā)了安時級電池器件。器件單體能夠提供安時級容量，能夠在面向極端溫域、高面容量、高倍率等場景中實現(xiàn)穩(wěn)定儲能。
相關研究成果近期以“數(shù)據(jù)驅動實現(xiàn)ΔE=0.57 V創(chuàng)紀錄活性的雙功能催化劑用于安時級鋅空氣電池”（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。
清華大學化工系張強教授與北京理工大學李博權副研究員為論文通訊作者。清華大學化工系2020級博士生劉嘉寧為論文第一作者。研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江陰-清華創(chuàng)新引領行動專項、鄂爾多斯-清華大學碳中和協(xié)同創(chuàng)新專項等的支持。
