[发明专利]一种可实现生物质增值化的锌空气电池及其制备方法

说明书

本发明涉及一种可实现生物质增值化的锌空气电池及其制备方法，属于金属空气电池及电化学技术领域；本发明利用有机分子介导生物质氧化反应替代传统锌空气电池充电过程中的析氧反应，降低电池充电电压，提高能量转换效率，同时实现生物质增值化，提高经济效益，在电化学储能和有机电合成领域具有重要和广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于金属空气电池及电化学技术领域，具体涉及一种可实现生物质增值化的锌空气电池及其制备方法。

背景技术

金属空气电池具有较高的能量密度、固有的安全性和潜在的低成本，有望成为仅次于锂离子电池的下一代电化学能源储存和转换装置(EESCs)的候选者之一。其中，水系锌空气电池（ZABs）因其理论能量密度高（1218 Wh kg^-1），锌金属成本低，水系电解质安全性高，并且对环境友好等优点，被认为是一种最有希望的EESCs替代品。自19世纪发明以来，碱性一次ZABs已在医疗和电信应用中商业化，但可充电ZABs的发展仍处于初级阶段，仍存在几个关键问题。其中的主要问题之一是电池的高充电电压，这本质上是由于缓慢的析氧反应（OER）动力学引起的。在充电过程中，该动力学涉及电极上的四个质子耦合-电子转移步骤。尽管ZABs的理论电压为1.65 V，但ZABs的实际充电电压通常在2 V以上，从而导致低能量效率。此外，高充电电压带来的副反应会破坏电极结构，从而大大降低可充电ZABs的循环稳定性。因此，改善OER动力学是进一步发展可充电ZABs的一种核心策略。

为了降低ZABs的充电电压，目前，国内外已开展了大量的研究工作构建高活性OER电催化剂（如RuO₂、Co₃O₄、NiFe层状氢氧化物等）来提高OER动力学。然而，即使使用最先进的Pd、IrO₂和RuO₂等贵金属基电催化剂，传统ZABs的充放电滞后电压仍大于0.8 V（J. Mater.Chem. A, 2016, 4, 6282-6289. ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 5462–5475.Applied Surface Science, 2022, 582, 152442）。最近的研究发现，将半导体光电极引入ZABs可改善OER动力学，显著降低ZABs的充电电压。例如，在365 nm的紫外光照射下，以TiO₂作为空气电极，甚至可获得0.59 V的超低充电电压，显著低于ZABs的理论电压（Angew.Chem. Int. Ed. 2020, 59, 18140-18144）。然而，半导体光电极的光腐蚀、光的间歇性等问题仍限制着光敏可充电ZABs的实际应用。另外，OER的产物为氧气，经济价值较低。

由此可见，为促进ZABs的发展，提高ZABs的能量转换效率和经济效益，其高充电过电压是亟待解决的技术问题；其次，现有的解决方案存在成本高、可靠性差等问题。

因而，提供一种采用热力学和动力学更有利的生物质氧化反应替代传统ZABs充电过程中的OER可实现生物质增值化的锌空气电池及其制备方法，已是一个值得研究的问题。

发明内容