由M13病毒和植物提取物促进的锂氧Discover蓄电池纳米结构电极的开发

 锂氧（Li-O2）电池因其卓越的理论能量密度（11,586 W h Kg-1），接近汽油（11,860 W h Kg-1），成为下一代可充电电池系统极具前景的候选者。Li-O2电池的工作原理依赖于放电过程中阴极表面Li阳离子与氧气（来自空气）相互作用形成Li2O2，以及充电时Li2O2的分解。因此，Li-O2电池中高度稳定且可逆的电化学反应取决于Li2O2形成与分解过程的加速。解决这一问题的方案之一是选择具有高孔隙率、良好电子导电性、化学稳定性和高催化活性的合适阴极催化剂。在本论文中，我们的目的是利用植物提取物和M13病毒等仿生材料，开发用于非水系电解质锂氧电池的新型高效阴极材料。M13病毒是一种感染细菌但对人类无害的噬菌体，因其独特的形态而可作为生物模板。植物提取物是生物活性化学物质的丰富来源。它们已被证明是多种金属/金属氧化物纳米颗粒生物合成中极具前景的还原剂和封端剂。因此，利用洋甘菊提取物合成了具有花椰菜形貌的TiO2纳米颗粒。含有5 wt.%炭黑的Bio-TiO2电极在500 mAhg-1的限制容量下表现出较大的过电位和30次稳定循环。因此，为了延长Bio TiO2的循环寿命，以α-MnO2为壳层形成了核壳结构，并将炭黑含量从5 wt.%提高到10 wt.%。获得的TiO2/α-MnO2在600 mAh g-1的限容量下表现出60次稳定的循环。然而，10 wt%的炭黑导致了副产物的形成，并限制了正极的循环性能。因此，为了在不使用碳添加剂的情况下提高金属氧化物的导电性和催化活性，借助M13噬菌体构建了独特的掺杂钌纳米颗粒的一维α-锰氧化物纳米线。这种病毒模板化的Ru/α-MnO2纳米线作为正极材料，具有高孔隙率和巨大的比表面积。该阴极在1000 mAh g-1的限制容量下，实现了48个稳定循环，容量高达14,383 mAh g-1。综上所述，这些生物合成方法可为开发高性能电池电极提供环保且具成本效益的途径。本论文中采用的设计策略不仅可应用于电池，还可应用于其他需要纳米级材料的领域。