南开化学百年贡献：微纳结构与电化学能源器件

化学能/电能的高密度储存与高效率转化是能源清洁利用的关键。金属空气电池、燃料电池、锂/镁电池等电化学能源装置，在电动交通工具、便携式电子设备、规模储能等领域具有重要地位，对优化能源产业结构，实现能源供应多元化、清洁化和低碳化具有重要意义。电化学能源体系的性能取决于参与成流反应的关键电极材料的组成和结构，新型电极材料的研发是提升电池综合性能的关键。现有的电化学能量储存与转化装置存在关键材料反应活性低、动力学缓慢、性能衰减快等科学与技术难题，限制了体系的实际能量/功率密度、能量转化效率以及使用寿命，难以满足当今社会需求。

微/纳米结构材料由于尺寸小、扩散路径短、比表面积大等特征，对增强反应活性、提高反应动力学、优化反应界面具有独特优势，为解决这些问题提供了新契机和机遇。然而，如何实现微纳电极材料的可控制备与结构调控，揭示其构效关系，阐明微纳尺度下电化学能量储存与转化规律，仍然是挑战性课题。

陈军，1967年生，1985—1992年在南开大学化学系学习，先后获学士、硕士学位，并于1992年留校工作；1996—1999年在澳大利亚Wollongong大学材料系学习，获博士学位；1999—2002年在日本大阪工业技术研究所任研究员。自2002年任南开大学教授、博士生导师，2017年当选中国科学院院士，2020年当选发展中国家科学院院士。现任南开大学副校长、先进能源材料化学教育部重点实验室主任。从事能源化学及高能电池的研究。项目针对现有的电化学能量储存与转化装置存在关键材料反应活性低、动力学缓慢、性能衰减快等科学与技术难题，深入研究关键电极材料的制备方法，实现微纳结构构筑、调控与优化，指导研制新型低成本、高性能金属空气电池，促进新能源微纳材料与高能电池发展。

可充“金属-空气电池”以Li、Na、Mg、Al、Zn等轻质活泼金属为负极，以碳、贵金属或过渡金属氧化物等构成的空气电极为正极，放电时从空气中获取氧气，充电时再释放出氧气，因此被誉为“可呼吸”电池。金属空气电池具有超高理论能量密度，电极活性物质廉价易得，特别是利用CO2作为活性材料来取代氧气产生电能，意味着该电池系统有望在CO2富集的地方，如动物及人类聚集地、汽车尾气、燃煤发电尾气及火星探测等广大领域，提供稳定的能量源泉，因此作为“下一代绿色高比能电池”而被看好。然而，金属空气电池实际性能受限于空气电极氧还原/氧析出的反应动力学，需要使用电催化剂提高反应效率。铂族贵金属及其合金是催化活性和稳定性俱佳的电催化剂，但其价格昂贵，资源稀缺，规模应用难，需要研制廉价非贵金属基替代材料。

尖晶石型氧化物是一类重要的功能材料，在电、磁、催化、能源等领域具有广泛用途，也是潜在的金属空气电池电催化剂。该类化合物通常采用传统的固相烧结法制备，需要高温长时间加热来克服扩散阻力和反应能垒，耗能耗时，虽然所得产物的结晶性能较好，但成分容易偏析，组成和形貌难以调控，粒径大，比表面积小，反应活性低，限制了其在电催化、储能等方面的应用。因此，实现微纳电极材料的可控制备与结构调控，揭示其构效关系，阐明微纳尺度下电化学能量储存与转化规律，是一个极具挑战的课题，对于研制高效廉价、新型高容量长寿命的金属空气电池具有重要意义，同时也有利于绿色制备、新能源利用和碳中和。

电化学能源系统是能源化学领域研究前沿和重点。由于电池的电极材料还存在反应活性低、动力学缓慢、性能衰减快等难题，造成实际能量/功率密度不高、能量转化效率低等，难以满足社会需求。项目围绕电化学能源器件所涉及的几类关键材料与微纳结构开展研究，取得如下重要研究成果：(www.xing528.com)

1.系统研究了锰基氧化物微纳结构的可控制备与电催化性能。提出“还原-转晶”新方法，实现锰系尖晶石微纳材料的室温快速可控制备，揭示锰氧化物电催化氧还原/氧析出是氧缺陷诱导的电荷转移过程，阐明晶型、价态、化学计量比与电催化性能的关联规律，构建可充金属空气电池，为廉价高效尖晶石微纳材料替代Pt电极及其在电池应用提供新策略。

2.深入研究了微纳结构电极材料的设计制备与电化学储锂/镁性能。构建LiMn2O4和LiNi0.5Mn1.5O4多孔纳米棒、CuV2O6纳米线、MoS2纳米片、多孔碳负载Sn纳米颗粒、Mg纳米颗粒等微纳电极材料，明确电化学可逆脱嵌锂/镁反应和电荷转移行为，阐述微纳结构对提高电极性能的关键作用，为构筑新型Li/Mg二次电池，为高比容量、大倍率、长寿命锂/镁电池研制提供新思路。

项目系统深入研究关键材料的制备方法，实现微纳结构构筑、调控与优化，揭示材料的组成、结构、形貌与性能对应关系，阐明微纳尺度下电催化氧还原/氧析出和电化学储锂/镁等电极反应过程中材料结构变化机制、表界面电荷传输规律、能量储存与转化机理，指导研制新型低成本、高性能金属空气电池、锂/镁电池等电化学储能器件，促进新能源微纳材料与高能电池的发展。

项目属于固体化学、纳米材料化学、电化学和能源化学的前沿交叉学科领域，研究成果对研发新型高比能、大功率、长寿命电化学能源系统，推动化学及其交叉学科的发展具有重要意义。项目在2016年获天津市自然科学一等奖。陈军教授获2013年中国电化学贡献奖、入选中组部万人计划科技创新领军人才，2014年入选英国皇家化学会会士，2016年入选天津市首批杰出人才。程方益入选国家四青人才、天津市青年拔尖人才。

成果完成人：陈军、程方益、陶占良、张天然、韩晓鹏、马华、朱智强、梁衍亮、张小龙、梁静