化石燃料的過度消耗導致了嚴重的環(huán)境和能源危機，威脅人類社會的可持續(xù)發(fā)展。鋰氧電池（LOB）作為一種有前景的清潔存儲轉化技術，具有極高的能量密度（~3500 Wh·kg^-1），因此在近年來備受關注。然而目前LOB的正極催化劑嚴重依賴貴金屬，其高成本、稀缺性等缺點阻礙了它的實際應用。近來，石墨烯基/碳納米管基碳材料作為LOB催化劑的候選材料，表現出巨大潛力。此類材料內部的碳位點通常是惰性的，往往需要進行多種的修飾和改性來提高本征活性，但導致了有限的活性位點密度。

C₆₀分子自被發(fā)現以來就引起了廣泛的研究興趣。從結構分析發(fā)現，C₆₀具有類似于石墨烯拓撲缺陷的碳五邊形結構，同時還保留了碳納米管較高的曲率。之前的報道指出，拓撲缺陷對于增強石墨烯的催化活性起著至關重要的作用，并且高曲率的碳納米管在促進O₂氧化還原動力學方面具有顯著的優(yōu)勢。因此，C₆₀表面五邊形-六邊形網絡上的彎曲π共軛對于催化O₂氧化還原是非常有前景的。

近日，南京師范大學李亞飛&南京大學郭少華團隊結合密度泛函理論（DFT）計算和實驗表征，提出 C₆₀作為 LOB 非金屬鋰氧電池正極催化劑的可行性。DFT 計算表明C₆₀表面有利于發(fā)生鋰化反應，且Li₂O₂為主要的放電產物。同時，C₆₀具有較低的 Li₂O₂分解和 Li 擴散能壘，表現出比碳納米管和石墨烯更低的理論過電勢。進一步的實驗測試證明了理論預測結果；特別是，實驗發(fā)現C₆₀的本征活性與貴金屬相當。該研究將激發(fā)大家在 LOB 背景下對 C₆₀及相關體系的進一步探索，同時加深對 Li-O₂電化學過程的理解，為未來LOB高效正極催化劑的設計提供指導。

圖 1 (a) C₆₀和 (b-d) O₂吸附在 (b) C₆₀、(c) CNT 和 (d) graphene上的能量最低結構。

圖 2 (a) C₆₀、CNT 和graphene上沿 Li₂O₂-path-1 和 Li₂O₂-path-1 形成*Li₂O₂的自由能變化， (b,c) (b) Li₂O₂-path-1 和 (c) Li₂O₂-path-1 的動力學曲線。

圖 3 (a) LOB 的 C₆₀中間體視圖， (b) C₆₀上 Li-O₂反應的自由能圖， (c) C₆₀、CNT 和graphene上 Li₂O₂分解的動力學能壘， (d) C₆₀的 Li 擴散曲線。

圖 4 (a) *O₂、*LiO₂、*Li₂O₂和 *(Li₂O₂)₂的電荷差異圖，黃色區(qū)域表示電子獲得，藍色區(qū)域表示電子損失， (b) C₆₀、*Li₂O₂和 *(Li₂O₂)₂的態(tài)密度。

圖 5 (a) 在 1000 mAh·g^?1的有限比容量下，C₆₀、CNT 和graphene在 200 mA·g^?1下的放電-充電曲線，(b) 500 mAh·g^?1時不同陰極的過電勢，(c) 2.0?4.5 V 內 0.05 mV·s^?1時不同陰極的 CV 曲線，(d) C₆₀電極在初始狀態(tài)和放電狀態(tài)下的 XRD 圖，(e) 固定容量為 1000 mAh·g^?1的 C₆₀在電流密度為 200 mA·g^?1時的放電-充電曲線。

Zhang X, Tian J, Wang Y, et al. C₆₀ as a metal-free catalyst for lithium-oxygen batteries. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6306-6.