"锌空气电池"突围有望!新型催化剂利用太阳能解决关键障碍

据报道，近期韩国的科学家开发了具有交错p-n异质结的双功能电催化剂，体现了太阳能电池/半导体界面特性，从而克服“锌-空气电池”的局限性，从而使其有希望成为下一代电池。

锌空气电池是通过大气中的氧气和锌之间的化学反应产生电力的电池，并被认为是替代锂离子电池的新一代电动汽车的候选者。理论上它们满足了下一代二次电池的所有要求，比如，能量密度高、爆炸风险低、环保、不排放污染物、材料成本低（锌和空气，很容易从自然界获得）。

韩国科学技术院（KIST）表示，其由Joong Kee Lee博士领导的研究小组开发了一项利用太阳能改善锌空气电池电化学性能的技术，这正在成为二次电池领域的一个新的研究和发展领域。

据了解，研究小组开发的电池用到一种具有半导体结构的光活性双功能空气-电催化剂，该催化剂具有交替的能级，可显著提高产生电力的氧还原反应（ORR）和氧进化反应（OER）的速度。光活性双功能催化剂是一种通过吸收光能来加速化学反应的化合物，与传统的锌-空气电池催化剂相比，其光吸收能力有所提高。

在使用金属和空气作为电池阳极和阴极的锌-空气电池中，必须交替进行OER和ORR，以实现作为阴极活性材料的氧气的电能转换。因此，由碳材料制成的正极集流器，其催化活性是决定锌-空气电池能量密度和整体电池效率的重要因素。

因此，KIST研究组为了改善锌空气电池缓慢的催化活性，将重点放在了太阳能电池和半导体的基本结构单元p-n异质结上。其目的是通过利用半导体中发生电子运动的界面特性来加速氧气的产生-还原过程。

为此，他们合成了一种具有异质结带隙结构的阴极材料，其中包括n型半导体（石墨氮化碳，g-C3N4）和ap型半导体（铜掺杂的ZIF-67（Zeolitic Imidazolate Framework-67），CuZIF-67）。

此外，为了证实该催化剂的商业潜力，在无光的现实条件下他们进行了一项实验。原型电池的能量密度为731.9mAh gZn-1，与现有锌空气电池的最佳性能相当。在光照条件下，能量密度增加了约7%，达到781.7 mAh gZn-1，并且循环性能极佳（334小时，1000次循环），在已知的催化剂中表现出最佳性能。

研究人员表示，“太阳能的利用不仅是提高二次电池的电化学性能，而且是实现可持续社会的重要组成部分。我们希望这项技术不仅能解决作为锂离子电池替代品的金属-空气电池的难题，还能成为促进半导体物理和电化学新融合技术发展的催化剂。”