研究背景
锂-氧（Li-O₂）电池因其高理论能量密度和较长的循环寿命而成为下一代电池技术的重要候选。然而，Li-O₂电池在充放电过程中会生成单线态氧（¹O₂），这是一种高度活泼的氧化剂，能够引发严重的副反应，导致电池效率低下和电池寿命缩短。单线态氧的生成通常发生在氧还原反应过程中，特别是在充电时，其产生会引发氧化反应，破坏电解液和碳正极材料。因此，高效抑制单线态氧的生成和相关副反应，成为提升Li-O₂电池性能的关键。
近日，南开大学有机新物质创造前沿科学中心李福军教授课题组以“Heavy Atom-Induced Spin–Orbit Coupling to Quench Singlet Oxygen in a Li–O2 Battery”为题在《Journal of the American Chemical Society》期刊上发表论文，南开大学有机新物质创造前沿科学中心为论文通讯单位。本研究提出了一种通过重原子诱导的自旋轨道耦合（SOC）机制，有效抑制单线态氧生成的方案，为实现高效、长寿命的Li-O₂电池提供了新的思路。
研究亮点
重原子诱导自旋轨道耦合（SOC）机制
通过在三（4-溴苯基）胺（TBPA）中引入溴原子，增强了自旋轨道耦合（SOC）效应，从而有效促进了单线态氧（¹O₂）向三线态氧（³O₂）的转化，抑制了其带来的副反应。
高效的单线态氧捕捉能力
实验结果表明，TBPA能通过与¹O₂反应形成中间复合物，并通过自旋禁阻自旋翻转过程，成功将单线态氧转化为三线态氧，抑制了有害副反应，显著减少了氧化性副产物的生成。
提高电池循环寿命与可逆性
与传统催化剂（如RuO₂）结合使用时，TBPA作为添加剂能大幅降低充电过电压，并延长电池的循环寿命，Li-O₂电池在350次循环后仍保持高效能，显示出比传统电池系统更优异的稳定性和可逆性。
图文鉴赏
结论与展望
本研究通过引入重原子修饰的TBPA，有效抑制了Li-O₂电池充放电过程中生成的单线态氧及其相关副反应。研究表明，TBPA通过增强自旋轨道耦合（SOC）效应，能够高效地将单线态氧转化为三线态氧，从而有效防止氧化性副产物的生成，提升了电池的循环稳定性。该方法不仅有效改善了电池的过电压和循环寿命，也为Li-O₂电池及其他相关设备提供了一种新型的高效氧化剂捕捉技术。未来，可以进一步优化TBPA的合成工艺，探索更多重原子修饰策略，以推动高效Li-O₂电池的实际应用，尤其是在电动汽车和大规模储能系统中的应用。
文献信息
Jiang, Z., Wen, B., Huang, Y., Wang, Y., Fang, H., & Li, F. Heavy Atom-Induced Spin–Orbit Coupling to Quench Singlet Oxygen in a Li–O2 Battery. Journal of the American Chemical Society, 2025.DOI: 10.1021/jacs.4c15230
