徐吉静教授：“光活化固氮”策略实现高性能锂-氮气电池

氮气分子的N≡N键能高达941 kJ/mol，结构十分稳定，其活化与转化一直是能源与化学领域的重大挑战。传统工业合成氨主要采用哈伯-博施法，需在400～500℃高温、200～300个大气压的苛刻条件下进行，不仅能耗高，还会产生大量工业废弃物。相较之下，锂-氮电池将氮气固定与化学储能相结合，为在温和条件下合成氨类化合物提供了新思路，同时也开辟了一条全新的储能途径。然而，锂-氮电池面临着过电位高、反应动力学缓慢、循环稳定性差等关键瓶颈，严重制约了其实际应用。

为解决上述问题，徐吉静教授团队提出了一种“光活化固氮”新策略，并对光辅助锂-氮电池的作用机制提供了关键见解。研究团队通过精准引入磷空位，设计并制备了一种具有高自旋态的缺陷型磷化钴（CoP_v）光电催化正极。磷空位的引入，一方面促使钴离子从低自旋态转变为高自旋态，另一方面为氮气分子提供了稳定的吸附位点。高自旋态钴位点的自旋极化电子能高效转移至吸附的氮气分子，从而显著提升氮气活化效率。在光照条件下，光生电子可经由磷空位直接注入氮气的π*反键轨道，进一步增强氮气活化，并加速放电过程中的氮还原反应动力学。此外，光照还有助于诱导形成均匀的薄膜状放电产物，从而提升充电过程中的氮析出反应动力学。实验结果显示，基于该策略的光辅助锂-氮电池展现出优异的电化学性能：放电比容量高达2.71 mAh cm^-2，循环寿命超过900h，过电位低至1.3 V。在光照条件下，电池的法拉第效率从黑暗环境中的33.5%提升至59.8%，固氮能力得到大幅增强。

综上所述，该研究巧妙融合缺陷工程与光辅助策略，借助磷空位与高自旋钴位点的协同作用，实现了氮气分子的高效吸附、活化与转化，并利用太阳能有效降低了反应能垒。这项工作为提升锂-氮气电池性能提供了创新思路与有效路径。

图1 光辅助锂-氮电池的设计

该研究成果以“Ultralow Overpotential Photo-Assisted Li−N₂Battery Enabled by Defective Cobalt Phosphide with High-Spin States”为题发表在Journal of the American Chemical Society上（论文DOI：10.1021/jacs.5c16583）。吉林大学化学学院博士研究生杜兴源为第一作者，吉林大学徐吉静教授为通讯作者。