徐吉靜教授：“光活化固氮”策略實(shí)現(xiàn)高性能鋰-氮?dú)怆姵?/h1>

氮?dú)夥肿拥腘≡N鍵能高達(dá)941 kJ/mol，結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，其活化與轉(zhuǎn)化一直是能源與化學(xué)領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)工業(yè)合成氨主要采用哈伯-博施法，需在400～500℃高溫、200～300個(gè)大氣壓的苛刻條件下進(jìn)行，不僅能耗高，還會(huì)產(chǎn)生大量工業(yè)廢棄物。相較之下，鋰-氮電池將氮?dú)夤潭ㄅc化學(xué)儲(chǔ)能相結(jié)合，為在溫和條件下合成氨類化合物提供了新思路，同時(shí)也開(kāi)辟了一條全新的儲(chǔ)能途徑。然而，鋰-氮電池面臨著過(guò)電位高、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢、循環(huán)穩(wěn)定性差等關(guān)鍵瓶頸，嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用。

為解決上述問(wèn)題，徐吉靜教授團(tuán)隊(duì)提出了一種“光活化固氮”新策略，并對(duì)光輔助鋰-氮電池的作用機(jī)制提供了關(guān)鍵見(jiàn)解。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精準(zhǔn)引入磷空位，設(shè)計(jì)并制備了一種具有高自旋態(tài)的缺陷型磷化鈷（CoP_v）光電催化正極。磷空位的引入，一方面促使鈷離子從低自旋態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦孕龖B(tài)，另一方面為氮?dú)夥肿犹峁┝朔€(wěn)定的吸附位點(diǎn)。高自旋態(tài)鈷位點(diǎn)的自旋極化電子能高效轉(zhuǎn)移至吸附的氮?dú)夥肿樱瑥亩@著提升氮?dú)饣罨省Ｔ诠庹諚l件下，光生電子可經(jīng)由磷空位直接注入氮?dú)獾摩?反鍵軌道，進(jìn)一步增強(qiáng)氮?dú)饣罨⒓铀俜烹娺^(guò)程中的氮還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。此外，光照還有助于誘導(dǎo)形成均勻的薄膜狀放電產(chǎn)物，從而提升充電過(guò)程中的氮析出反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基于該策略的光輔助鋰-氮電池展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能：放電比容量高達(dá)2.71 mAh cm^-2，循環(huán)壽命超過(guò)900h，過(guò)電位低至1.3 V。在光照條件下，電池的法拉第效率從黑暗環(huán)境中的33.5%提升至59.8%，固氮能力得到大幅增強(qiáng)。

綜上所述，該研究巧妙融合缺陷工程與光輔助策略，借助磷空位與高自旋鈷位點(diǎn)的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了氮?dú)夥肿拥母咝健⒒罨c轉(zhuǎn)化，并利用太陽(yáng)能有效降低了反應(yīng)能壘。這項(xiàng)工作為提升鋰-氮?dú)怆姵匦阅芴峁┝藙?chuàng)新思路與有效路徑。

圖1 光輔助鋰-氮電池的設(shè)計(jì)

該研究成果以“Ultralow Overpotential Photo-Assisted Li?N₂Battery Enabled by Defective Cobalt Phosphide with High-Spin States”為題發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上（論文DOI：10.1021/jacs.5c16583）。吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士研究生杜興源為第一作者，吉林大學(xué)徐吉靜教授為通訊作者。