北大電池新研究登上Nature：3萬次循環(huán)測試，性能衰減不到30%，大幅提高鋰空電池性能

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電池研究又有新進展。

而且榮登Nature，來自北京大學(xué)。

工學(xué)院的郭少軍團隊研發(fā)出一類新型電催化劑，與商業(yè)化的兩種催化劑相比，相應(yīng)指標(biāo)高出78和327倍。

而且穩(wěn)定性也相當(dāng)優(yōu)異：經(jīng)過30000次循環(huán)后，性能衰減低于30%。

電催化，是將可再生能量轉(zhuǎn)化為能源的基礎(chǔ)技術(shù)。論文中表示，這一進展能夠顯著提升鋅空電池和鋰空電池的性能。

與現(xiàn)在廣泛使用的電池相比，這兩類電池具有更高的能量密度，將來也能夠應(yīng)用到電動汽車之中，對于其性能提升，會有極大幫助。

新型電催化劑

郭少軍團隊研發(fā)的新型電池催化劑，名為亞納米厚且高端卷曲的雙金屬鈀鉬納米片材料，在堿性電解質(zhì)中展現(xiàn)出了更好的氧還原反應(yīng)（Oxygen reduction reaction，ORR）電催化活性和穩(wěn)定性。

其直接作用，是提升相關(guān)電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換/存儲器件的性能。再往上游看，對于提高可再生電能的直接使用也有助益。

化石能源的日益枯竭其對環(huán)境氣候造成了很大的負(fù)面影響，世界各國對于可再生清潔能源的重視度越來越高。

雖然各種新能源電廠正在大力建設(shè)，但以風(fēng)能和太陽能為代表的可再生能源用起來并沒有那么容易。

一是這些可再生能源天然具有間歇性（氣候影響大）特征，而是常規(guī)電網(wǎng)在長途輸電過程中會產(chǎn)生高電能損耗等等，直接限制了可再生電能的使用。

當(dāng)然，也不是沒有對應(yīng)辦法。

一種更有效的方式，就是用基于電化學(xué)轉(zhuǎn)換器件，首先將可再生電能儲存于含能分子的化學(xué)鍵中，再將這些含能分子運輸至能源需求點，最后可控地釋放化學(xué)能。

整個過程中，電化學(xué)反應(yīng)“負(fù)責(zé)”此類化學(xué)能與電能之間的轉(zhuǎn)換，其反應(yīng)速率，直接決定了能源轉(zhuǎn)換的效率以及電化學(xué)器件的運行功率。

所以，因此控制反應(yīng)速率的電催化劑至關(guān)重要。

目前，最受關(guān)注的能源轉(zhuǎn)換裝置有兩種：燃料電池和金屬空氣電池。

但這兩類裝置在轉(zhuǎn)換的過程中會受到陰極ORR緩慢的動力學(xué)的影響，以及貴金屬催化劑用量也非常高，從而極大限制了這兩類能源技術(shù)的實際運用。

因此，開發(fā)出高性能低成本的ORR電催化劑對于提高電池性能以及能源轉(zhuǎn)化效率，都有極大的促進作用。

怎么開發(fā)？不僅要用合適的材料，也要用對方法。

首先選材料。

鉑族金屬（Platinum group metals, PGMs）納米材料，具備高活性和高穩(wěn)定性等優(yōu)勢，是當(dāng)前最常用的ORR電催化劑。

其次選方法。

郭少軍團隊在2016年發(fā)表于Science上的研究證明，理性控制金屬納米材料的表面應(yīng)變可顯著提高ORR電催化活性。

基于前期工作基礎(chǔ)，他們研發(fā)出了一類新型的亞納米厚且高度卷曲的雙金屬鈀鉬納米片（結(jié)構(gòu)類似于石墨烯），簡稱為“雙金屬烯”：

△鈀鉬雙金屬烯的結(jié)構(gòu)表征。（a-c）電子顯微鏡圖片；（d, e）原子力顯微鏡圖片及厚度分析；（f）球差透射電子顯微鏡圖片

效果最高提升300多倍

這一催化劑材料的性能，也在論文給出的實驗中得到了證實：

PdMo雙金屬烯的超薄結(jié)構(gòu)，能顯著提高貴金屬Pd的原子利用率，實現(xiàn)超高的電化學(xué)活性面積（138.7 m2/gPd）。

在0.9 V（參比于可逆氫電極）電位下，其ORR的質(zhì)量活性高達16.37 A/mgPd，較商業(yè)Pt/C和Pd/C催化劑分別高出78和327倍。

同時展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性（30000圈循環(huán)掃描后，性能性能衰減低于30%）。

經(jīng)過密度泛函理論計算研究發(fā)現(xiàn)，雙金屬合金效應(yīng)、幾何卷曲引起的應(yīng)變效應(yīng)以及亞納米尺寸引起的量子效應(yīng)，共同調(diào)控了表面Pd的電子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)氧結(jié)合能的優(yōu)化及氧還原催化性能的大幅提升）。

PdMo雙金屬烯同時表現(xiàn)出優(yōu)于商業(yè)氧化銥（IrO2）催化劑的析氧反應(yīng)（oxygen evolution reaction, OER）活性。

△鈀鉬雙金屬烯的性能評價及催化機理研究。（a）各催化劑的ORR極化曲線及（b）活性對比圖；（c）雙金屬烯的原子模型；（d）氧結(jié)合能與晶格應(yīng)變的關(guān)系；（e）不同材料中Pd元素的d帶中心位置

在北大工學(xué)院對郭少軍的研究成果的介紹中，還著重強調(diào)了其對于鋅空和鋰空電池的充放電性能的提升。

這對于氧反應(yīng)電催化機理研究，以及新型高效燃料電池/金屬空氣電池陰極電催化劑的開發(fā)來說，都具有借鑒意義，也能夠為下一代高性能低成本電催化劑的理性設(shè)計提供了全新思路。

郭少軍團隊新研究

這一研究，是北大郭少軍團隊的又一新成果。

根據(jù)論文的署名信息，郭少軍是論文的唯一通訊作者。

郭少軍2005年畢業(yè)于吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，2005年保送到中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所。

2010年12月獲分析化學(xué)博士學(xué)位，之后在美國布朗大學(xué)化學(xué)系從事博士后研究。

博士后研究生涯結(jié)束后，郭少軍在美國Los Alamos國家實驗室做了兩年研究。

2015年回國后，進入北京大學(xué)，是工學(xué)院材料科學(xué)與工程系、能源與資源工程系雙聘研究員，博士生導(dǎo)師，也是國家青年千人計劃學(xué)者。

主要從事催化、新能源、傳感器和光電材料等領(lǐng)域的研究。根據(jù)北大工學(xué)院個人介紹頁面，他已經(jīng)在Science、Nature等國際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文200篇和書章節(jié)4部。

其中，以通訊/第一作者發(fā)表影響因子大于10論文53篇、ESI Top 1%高被引論文41篇、ESI Top 0.1%熱點論文7篇和單篇引用超過100次的41篇。

根據(jù)Google Scholar的數(shù)據(jù)，郭少軍的研究引用已經(jīng)超過了3萬次，H因子為94。

這一研究的第一作者，是駱明川博士，此前在郭少軍團隊從事博士后研究，論文中署名單位是北京大學(xué)工學(xué)院材料科學(xué)與工程系。

此外，論文的合作者中，還有美國加州州立大學(xué)Gang Lu（盧剛）教授和美國布魯克海文國家實驗室Dong Su（蘇東）研究員。

Nature論文傳送門：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1603-7

參考鏈接：

http://www.coe.pku.edu.cn/xwxx/xwjj/xwkx/918269.htm