寻找高效催化剂对于氧气氧化和还原反应具有重大的意义。对于锂氧气电池，利用可溶性催化剂或氧化还原媒介可以避免放电产物在正极表面直接沉积，有效提高电池的实际容量和能量效率。然而，大部分的可溶性催化剂会与锂金属发生反应，且电解液中放电产物中间相的沉积也容易导致锂金属表面的副反应，所以在基于可溶性催化剂的锂氧气电池体系中，电池在长循环过程中，充放电的稳定性对于衡量催化剂的效率具有重要意义。
近日，中国科学院上海硅酸盐研究所温兆银研究员课题组开发了一种部分可溶的金属-氮氧化合物框架（MNOFs）催化剂用于锂空气电池。利用固体和溶解催化剂之间的溶解平衡建立传质桥梁，不仅可以抑制Li负极表面的副反应，同时可以将放电产物定向沉积在正极上，显著改善电池的实际放电容量和循环稳定性。在恒流充放电条件下，电池能保持在0.5V的过电势条件下稳定循环50周以上，将这种部分可溶催化剂用于1Ah软包锂空气电池，电池深度放电能在相对较低的过电势（?0.6V）下，实现了高达40mAh/cm2的单位面积比容量。通过理想的桥接可溶性和固态催化剂，可逆性得到显着改善。相关成果以题为“CouplingsolidandsolublecatalyststowardstableLianodeforhigh-performanceLi–O2batteries”于近期发表于国际知名期刊EnergyStorageMaterials。
图1.利用可溶性催化剂促进放点产物定向沉积示意图及设计思路.
图2.制备的MNOF的XRD图谱（a）和TEM图像（b）；（c）MNOF原子结构的示意图。Mo-前驱体和MNOF之间的Mo-M2,3（d）和Mo-L2,3（e）的EELS光谱比较；MNOF中Mo3d（f）和Mo3p-N1s（g）的高分辨率XPS光谱。MNOF浓度从0.1mg/mL（h）稀释到到0.01mg/mL（i）的1MLiClO4/DMSO的紫外可见吸收光谱，插入图：不同MNOF浓度的1MLiClO4/DMSO的丁达尔效应.
图3.（a）氧气气氛下具有不同电极和电解质成分的Li-O2电池的循环伏安曲线（2mV/s）：（1）1MLiClO4/DMSO中的饱和可溶性和固态MNOFs催化剂正极（红色曲线）；（2）纯KB正极和1MLiClO4/DMSO中的饱和可溶性MNOF电解液（蓝色曲线）；（3）纯KB正极和1MLiClO4/DMSO电解液（黑色曲线）；（b）在不同电流密度下具有固体和可溶性催化剂的Li-O2电池的典型电压曲线。具有或不具有固体/可溶性催化剂的Li-O2电池的循环性能：（c）同时引入固体和可溶性催化剂体系；（d）仅引入固体催化剂；（e）仅可溶性催化剂；（f）不含固体和可溶性催化剂的纯KB正极；（g）MNOF的反应机理示意图。
图4.（a）首次充电和放电后MNOFs正极的XRD图谱；（b）首次放电后电池的差分电化学质谱（DEMS）曲线；放电（c）和充电过程（d）之后，使用可溶性和固态催化剂从Li-O2电池的MNOFs正极的高分辨率Li1sXPS光谱。放电（e）和充电过程（f）之后，纯KB正极的高分辨率Li1sXPS光谱。
图5.（a）具有可溶性和固态MNOFs催化剂的Li–O2电池在首次放电和充电后的电化学阻抗谱；（b）仅使用正极催化剂的Li–O2电池的电化学阻抗谱；循环5次后锂金属负极的高分辨率Li1s光谱对比：（c）含有可溶性和固态MNOFs催化剂；（d）仅可溶性MNOFs催化剂；锂阳极的SEM图像：（e）新鲜锂片；（f）在使用可溶性和固态MNOFs催化剂；（g）仅使用可溶性催化剂。
本工作从概念上设计并合成了部分可溶的MNOFs催化剂，同时发现其作为Li-O2电池的可溶氧化还原介体。利用其在电解液中的部分可溶性，MNOFs催化剂不仅可以用作电解质中的可溶性催化剂，同时可以用作正极中的固体催化剂。在可溶性和固态催化剂的存在下，Li-O2电池在超长循环中表现出非常稳定的循环性能和稳定的过电位。深入的研究表明，可溶性和固态MNOFs催化剂之间的可溶性平衡在电解质和阴极之间架起了桥梁，在放电过程中促进了目标Li2O2在正极上的定向沉积。将这种部分可溶催化剂用于1Ah软包锂空气电池，电池深度放电能在相对较低的过电势（?0.6V）下，实现了高达40mAh/cm2的单位面积比容量。这项工作为解决锂空气电池的问题提供了新的思路。
SanpeiZhang,GanWang,JunJin,LinlinZhang,ZhaoyinWen.CouplingsolidandsolublecatalyststowardstableLianodeforhigh-performanceLi–O2batteries,EnergyStorageMaterials,,DOI:10./j.ensm..03..
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