可充电非质子锂氧气电池(Li-O2)具有高的理论能量密度，因此可能应用于新一代储能技术领域。目前该类电池仍存在许多问题，如过电位大、倍率性能低和循环稳定性差等。合理设计高效稳定的氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)催化剂是提高Li-O2电池性能的关键。化学化工学院左景林教授课题组基于四硫富瓦烯(TTF)与金属镍二硫烯结构和性能上的相似性，合成了基于金属镍二硫烯四苯醛配体的共价有机框架材料(COFs)，并研究了其在锂金属负极材料方面的应用(J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 18, 8267–8277)。在此基础上，左景林教授、马晶教授与现代工程与应用科学学院何平教授等合作，在COFs材料中同时引入镍二硫烯单元和钴卟啉单元，构建出了ORR/OER双功能阴极催化剂，实现了高效的Li-O2电池性能。
图1 双金属氧化还原活性配合物的设计思路
他们利用镍二硫烯四苯醛配体与钴卟啉成功合成了双金属氧化还原共价有机框架材料(Ni-TAPP-Co)，并作为Li-O2电池的双功能ORR/OER催化剂。Ni-TAPP-Co具有高比表面积(116 m2 g−1)、良好的导电性(1.18 × 10−4 S m−1)以及优异的化学及电化学稳定性。在500 mA g−1高电流密度下，相比于无金属的TTF-TAPP-2H，单金属的Ni-TAPP-2H，TTF-TAPP-Co电极材料，具有双金属的Ni-TAPP-Co电极材料在Li-O2电池中表现出了良好的ORR/OER催化性能，将电池整体充放电电势差降到1.0 V，并且能够持续稳定循环200圈，其性能接近PtAu贵金属纳米催化剂。密度泛函理论(DFT)和对照实验揭示了Ni和Co位点在降低放电/充电过电位和调节Li2O2沉积中的起到了关键作用。本项工作展现了金属配合物材料在Li-O2电池中的应用，丰富了金属配合物材料在储能方面的研究。
图2 不同金属配合物阴极催化剂的Li-O2电池电化学性能
相关工作以“Covalent Organic Frameworks with Ni–Bis(dithiolene) and Co–Porphyrin Units as Bifunctional Catalysts for Li–O2 Batteries”为题，于2023年2月1在Science Advances (DOI:10.1126/sciadv.adf2398)上在线发表。论文共同第一作者为化学化工学院柯思文博士、顾玉明博士和现代工程与应用科学学院博士生李伟，左景林教授、马晶教授和何平教授为论文的通讯作者，袁帅教授和苏剑教授参与了本研究。以上研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目，配位化学国家重点实验室、介观化学教育部重点实验室、储能材料与技术中心、江苏省人工功能材料重点实验室、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等单位的支持或资助。
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