鋰氧（Li-O₂）電池在長期運行過程中會出現(xiàn)催化正極的降解，這限制了其實際應用。揭示納米級催化正極的表面形態(tài)演變與其在循環(huán)過程中的催化活性之間的直接相關性具有挑戰(zhàn)性。

在此，中科院化學所文銳研究員等人使用原位電化學原子力顯微鏡（AFM）探索了Li-O₂電池中Pt納米顆粒電極的形態(tài)演變及其對Li-O₂界面反應的影響。原位觀察表明，在氧化還原循環(huán)（ORCs）過程中電極表面形貌的變化強烈影響 Li-O₂界面反應。

具體而言，在第一次ORC期間，粒徑約為5 nm的Pt納米顆粒電極主要通過表面介導的途徑促進O₂的還原，以產(chǎn)生具有納米片結構的放電產(chǎn)物 Li₂O₂。ORCs可以引發(fā)Pt納米顆粒尺寸的增加，這主要通過ORR上的溶液介導途徑促進具有大尺寸環(huán)形結構的Li₂O₂的生長并顯著提高電池的放電容量。

圖1. Pt 納米粒子電極形貌和催化行為的演化機制示意圖

接下來，經(jīng)過250次ORCs后，Pt 納米顆粒與電極基底之間的相互作用減弱，導致部分Pt從電極上脫離。在這種情況下，Li₂O₂在放電過程中的成核和生長電位降低，電池的容量和可逆性明顯降低。

此外，作者發(fā)現(xiàn)在Pt納米顆粒電極上修飾適量的Au納米顆?？梢砸种齐姌O在循環(huán)過程中的形貌演變從而提高電極穩(wěn)定性，同時保持其高催化活性。上述結果為理解放電/充電循環(huán)過程中催化正極的表面形態(tài)演變與Li-O₂電化學/化學反應之間的相關性提供了直接證據(jù)。

圖2. 修飾Au納米粒子提高Pt納米粒子電極的穩(wěn)定性

Revealing the Correlations between Morphological Evolution and Surface Reactivity of Catalytic Cathodes in Lithium-Oxygen Batteries, Journal of the American Chemical Society 2021. DOI: 10.1021/jacs.1c09700