高比能量鋰空氣電池是未來大容量純電動(dòng)汽車潛在的動(dòng)力電源技術(shù)之一，然而由于充電動(dòng)力學(xué)速率低限制了其實(shí)際性能的提升，導(dǎo)致其過電位高、循環(huán)性能差、電流密度低、電極材料不穩(wěn)定、電解質(zhì)分解等問題。發(fā)展廉價(jià)、高活性催化劑，提高反應(yīng)速率是鋰空氣電池的研究熱點(diǎn)。過去五年有超過900多篇相關(guān)論文，70多種催化劑被大量嘗試，但研究工作缺乏設(shè)計(jì)和系統(tǒng)性。開展材料的設(shè)計(jì)與計(jì)算，將計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，是快速推進(jìn)鋰空氣電池研究的重要途徑，并推動(dòng)“材料基因組”發(fā)展。

　　中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員劉建軍與溫兆銀合作，將理論計(jì)算與電化學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合，針對(duì)幾種典型的過渡金屬氧化物、碳化物、氮化物開展計(jì)算研究，建立了鋰離子脫附與析氧反應(yīng)勢(shì)壘與催化劑的表面酸性相關(guān)規(guī)律的理論模型，預(yù)測(cè)了2.4-3.1 eV的表面酸性范圍內(nèi)催化劑的高活性，提出了Co₃O₄，CoO，Mo₂C，TiC以及TiN等幾種高活性催化劑。通過CoO與Co₃O₄體系的過電位、循環(huán)壽命等電化學(xué)性能的對(duì)比性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的理論模型與材料體系。研究成果發(fā)表于Journal of the American Chemical Society（10.1021/jacs.5b07792）。

　　溫兆銀帶領(lǐng)的課題組設(shè)計(jì)和制備成功具有(111)面優(yōu)先生長(zhǎng)的Co₃O₄無支撐催化劑，并獲得了優(yōu)異的容量、極化等電化學(xué)性能，研究結(jié)果發(fā)表在Energy & Environmental Science（2011,4, 4727），劉建軍帶領(lǐng)的研究小組將第一性原理計(jì)算與熱力學(xué)分析結(jié)合建立O₂/Li₂O₂/Co₃O₄的三相界面模型，揭示了Co₃O₄(111)面具有高催化活性的機(jī)制，進(jìn)一步驗(yàn)證了表面酸性與催化活性關(guān)系的理論預(yù)測(cè)。研究成果發(fā)表在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)的刊物ACS Catalysis（2015, 5, 73）上。

　　相關(guān)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)與面上項(xiàng)目、中科院百人計(jì)劃與重點(diǎn)部署等項(xiàng)目的支持。

圖1.鋰空氣電池過電位-催化劑表面酸性的關(guān)系與催化劑預(yù)測(cè)(上)，及Co₃O₄與CoO體系的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果(下)。

圖2.無支撐催化劑的設(shè)計(jì)及制備的Co₃O₄催化劑微結(jié)構(gòu)

　　圖3.第一性原理熱力學(xué)計(jì)算Co₃O₄（111）與（110）表面催化Li₂O₂分解機(jī)理，晶面效應(yīng)的電荷分析，及過渡金屬摻雜Co₃O₄(111)的催化性能優(yōu)化。