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吳忠帥課題組ACS Catalysis: 比容量高達35583 mAh g-1！Li-O2電池的高效氧催化劑

設計具有良好形狀和高活性晶面的氧催化劑對提高鋰氧電池的催化性能具有重要意義，但也具有一定的挑戰性。近日，中科院大連化物所吳忠帥課題組通過面工程在石墨烯上制備具有(101)晶面的超薄Mn₃O₄納米片(NS)(Mn₃O₄ NS/G)作為超高容量和長期穩定的高性能Li-O₂電池的氧催化劑。

為了突出特定暴露晶面的重要性，研究人員還使用類似的液相方法來制備具有大量(211)面暴露晶面的Mn₃O₄納米顆粒(NP)錨定在石墨烯(Mn₃O₄ NP/G)上；Mn₃O₄ NS和Mn₃O₄NP催化劑主要分別暴露(101)和(211)晶面。各種表征結果表明，(101)表面的氧空位能顯著提高催化活性，尤其是對充電反應。

因此，具有(101)面和富氧空位的Mn₃O₄ NS/G比石墨烯上的Mn₃O₄納米顆粒提供更低的過電位。此外，Mn₃O₄ NS/G陰極具有超過1300 h的長期穩定性，在200 mA g^-1下的超高比容量高達35583 mAh g^-1，優于報道的大多數錳基氧化物。

實驗結果和理論計算表明，Mn₃O₄ NS/G具有豐富的氧空位，并且Mn₃O₄(101)對Li₂O₂的吸附能比Mn₃O₄(211)低，表明在充電過程中Li₂O₂更容易分解，從而大大降低了鋰氧電池的充電過電位。這種低成本、高效率、耐用的空氣陰極催化劑將為鋰氧電池的降解提供可靠的解決方案，并促進了對新型電化學儲能系統的開發。

Two-Dimensional Mn₃O₄ Nanosheets with Dominant (101) Crystal Planes on Graphene as Efficient Oxygen Catalysts for Ultrahigh Capacity and Long-Life Li-O₂ Batteries. ACS Catalysis, 2022. DOI: 10.1021/acscatal.2c02544

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