山东大学王春雷/党锋课题组ACB：揭示Bi2Te3二维材料锂氧气电池正极催化各向异性

【文章信息】

高效二维Bi2Te3作为锂氧电池正极催化剂及其堆叠表面的催化能力

第一作者：冯娟娟

通讯作者：王洪超*，党锋*

单位：山东大学

【研究背景】

二维材料因其独特的层状结构和可调的表面性质在锂空气电池催化领域得到了广泛的关注。不同二维结构的材料作为锂氧电池正极催化剂会导致催化的各向异性。对于二维层状结构，堆叠表面与堆叠侧面的表面性质具有明显的差异，通过理论和实验研究二维层状结构在锂氧电池中的催化各向异性，对二维材料在锂氧电池中的应用具有重要意义。

【文章简介】

近日，山东大学王春雷教授与党锋教授课题组合作，在国际知名期刊ACB:上发表了题为“Stacking surface derived catalytic capability and by-product prevention for high efficient two dimensional Bi2Te3 cathode catalyst in Li-oxygen batteries”的研究论文。

​该文章报道了具有二维层状结构的Bi2Te3在锂氧电池中的催化活性及其堆叠表面和堆叠侧面催化的催化各向异性。通过对Bi2Te3材料的二维表面和堆叠侧面的单一晶面露出进行了精密调控，成功制备了Bi2Te3纳米片和滚轮状纳米颗粒锂氧电池正极催化剂。实验和理论计算结果证实了二维表面存在均一的电子态，对放电产物和中间体具有合适的吸附能，可以有效抑制副产物的生成，低的充放电过电势，而对于含有范德华力的堆叠侧面由于表面电子态不均匀，限制了后续充电过程的进行，循环稳定性差。

【本文要点】

要点一：制备暴露不同晶面的Bi2Te3纳米片和滚轮状纳米颗粒

图1 Bi2Te3材料的制备及形貌表征

图2 Bi2Te3纳米片的组成和结构表征

如图1a所示，Bi2Te3为层状结构，沿c轴方向由五个原子层周期性组成（Te-Bi-Te-Bi-Te），原子层之间由范德瓦耳斯力连接。通过简单的水热法调节合成条件合成了具有均一表面的Bi2Te3纳米片和侧面暴露的Bi2Te3滚轮状纳米颗粒。通过高倍透射和选区电子衍射证明了Bi2Te3主要暴露晶面为堆叠表面(001)面和含范德华力的堆叠侧面(100)面

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要点二：Bi2Te3在锂氧电池中优异的电化学性能及放电产物的表征

图3 Bi2Te3材料的电化学性能

图4 充放电过程中放电产物的表征

电化学结果表明，Bi2Te3纳米片与滚轮状纳米颗粒相比具有大的比容量（21172 mAh g-1）和优异的循环稳定性（600 mAh g-1下188圈；1000 mAh g-1下105圈）。通过对充放电过程中电极表面放电产物分析发现，Bi2Te3二维表面可以实现Li2O2可逆的生长/分解。XPS结果表明，在反应过程中，没有发现副产物的信号，以及Te作为反应活性位点参与反应。

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要点三：DFT分析二维层状结构材料的催化各向异性

图5 DFT计算表面电子状态、吸附能、反应阶梯图及态密度

通过DFT计算分析了Bi2Te3不同表面在锂氧电池中的催化机制。表面电荷分布和吸附能表明Bi2Te3的(001)表面具有均匀的电子态和对放电产物合适的吸附能。而(100)表面电子态不均一，限制了放电产物的有效生长/分解。同时DOS图也表明(001)面有利于放电产物的生成。因此，堆叠表面(001)面比含范德华力的堆叠侧面(100)面具有更好的催化性能。

【文章链接】

Stacking surface derived catalytic capability and by-product prevention for high efficient two dimensional Bi2Te3 cathode catalyst in Li-oxygen batteries

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121844

【通讯作者简介】

王洪超 教授

2011年博士毕业于山东大学，然后前往韩国延世大学从事博士后研究，2015年回到山东大学王春雷教授课题组，现任山东大学教授，主要从事热电能源转换材料物理和锂空气电池正极材料的研究工作。截止目前已在Appl. Catal. B、PNAS、Adv. Energy Mater.、Chem. Mater.等国内外重要学术期刊以第一作者和通讯作者发表相关论文80余篇、撰写专著一章节；授权中国、美国和韩国发明专利7项。

党锋 教授

2008年博士毕业于日本九州大学。先后在日本产业技术综合研究所，庆应大学，名古屋大学等担任助教，副教授等职，2014年任山东大学材料学院教授，主要从事锂氧（空）气电池正极催化剂，锂离子电池负极材料等能源材料的研究。相关成果近三年内发表在Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Stor. Mater., Adv. Sci.等国际著名期刊，他引3000余次，H因子29。