可充电锌-空气电池具有成本低、安全性高、理论能量密度大等优势，是一种具发展前景的能源储存装置。其工作原理是基于可逆反应2Zn + O2 ↔ 2ZnO，理论平衡电压为1.64 V。然而，由于空气正极缓慢的氧还原（ORR）和氧析出（OER）反应、锌负极的钝化和枝晶生长以及析氢等原因，锌-空气电池的实际放电电压低于1.2 V、充电电压高于2.0 V。即使采用高活性电催化剂、电极保护和电解液优化的情况下，电池仍存在较大的充放电电压差，导致其能量效率低下。因此，采用新的策略来改善锌-空气电池电极极化大的问题是非常必要的。
太阳能的利用对社会的可持续发展是至关重要的。将光能引入到经典的电化学反应体系中已经取得了一定成效，如：氧还原/析出、CO2还原和N2还原，但光能-电能的直接转换与有效存储仍极具挑战性。近些年，直接将光能在锌-空气电池中进行转换或存储的尝试引起了研究人员的广泛关注，但如何在锌-空气电池中同时实现光能向电能和化学能的转化仍存在机制认识不清和电极材料缺失的难题。
近日，南开大学的李福军研究员课题组构建了一种夹心三明治结构的高性能锌-空气电池。该电池采用原位负载于碳纤维上的聚(1,4-di(2-thienyl))苯（PDTB）和二氧化钛（TiO2）半导体作为正极催化剂，分别用于光激发ORR与OER，并分别在放电与充电过程中与多孔锌负极构成回路。在放电过程中，PDTB电极受光照，被激发的光电子进入PDTB的导带，注入O2的分子轨道，从而促进ORR，提升电池的放电电压；在充电过程中，TiO2电极受光照，价带中形成强氧化性的空穴，在外加电压的作用下驱动OER，同时光电子通过外电路传输到负极将ZnO还原为Zn，进而降低电池的充电电压。这种三明治锌空气电池结构确保了同时在放电和充电过程中的光能利用。
电化学性能测试结果表明：所构建的锌空气电池具有创纪录的高放电电压1.90 V和低充电电压0.59 V（均不受限于热力学平衡电位1.64 V），并且即使在10 mA cm-2的电流密度下，放电电压仍高于充电电压。这一“反常规”的现象是由于放电和充电过程中光能向电能和化学能的转化。这项工作不仅为光能在锌空气电池中的转化与存储提供了新途径，而且也对光物理与化学、电催化等的结合以及功能分子的设计与合成具有重要指导意义。
论文信息：
Photo‐excited oxygen reduction and oxygen evolution reactions enabling a high‐performance Zn‐air battery
第一作者为南开大学博士研究生杜东峰
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202005929
先进能源材料化学教育部重点实验室（南开大学）
Key Laboratory of Advanced Energy Materials Chemistry, Ministry of Education (Nankai University)