化石燃料的過(guò)度消耗導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境和能源危機(jī)，威脅人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。鋰氧電池（LOB）作為一種有前景的清潔存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化技術(shù)，具有極高的能量密度（~3500 Wh·kg^-1），因此在近年來(lái)備受關(guān)注。然而目前LOB的正極催化劑嚴(yán)重依賴貴金屬，其高成本、稀缺性等缺點(diǎn)阻礙了它的實(shí)際應(yīng)用。近來(lái)，石墨烯基/碳納米管基碳材料作為L(zhǎng)OB催化劑的候選材料，表現(xiàn)出巨大潛力。此類材料內(nèi)部的碳位點(diǎn)通常是惰性的，往往需要進(jìn)行多種的修飾和改性來(lái)提高本征活性，但導(dǎo)致了有限的活性位點(diǎn)密度。

C₆₀分子自被發(fā)現(xiàn)以來(lái)就引起了廣泛的研究興趣。從結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，C₆₀具有類似于石墨烯拓?fù)淙毕莸奶嘉暹呅谓Y(jié)構(gòu)，同時(shí)還保留了碳納米管較高的曲率。之前的報(bào)道指出，拓?fù)淙毕輰?duì)于增強(qiáng)石墨烯的催化活性起著至關(guān)重要的作用，并且高曲率的碳納米管在促進(jìn)O₂氧化還原動(dòng)力學(xué)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。因此，C₆₀表面五邊形-六邊形網(wǎng)絡(luò)上的彎曲π共軛對(duì)于催化O₂氧化還原是非常有前景的。

近日，南京師范大學(xué)李亞飛&南京大學(xué)郭少華團(tuán)隊(duì)結(jié)合密度泛函理論（DFT）計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表征，提出 C₆₀作為 LOB 非金屬鋰氧電池正極催化劑的可行性。DFT 計(jì)算表明C₆₀表面有利于發(fā)生鋰化反應(yīng)，且Li₂O₂為主要的放電產(chǎn)物。同時(shí)，C₆₀具有較低的 Li₂O₂分解和 Li 擴(kuò)散能壘，表現(xiàn)出比碳納米管和石墨烯更低的理論過(guò)電勢(shì)。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明了理論預(yù)測(cè)結(jié)果；特別是，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)C₆₀的本征活性與貴金屬相當(dāng)。該研究將激發(fā)大家在 LOB 背景下對(duì) C₆₀及相關(guān)體系的進(jìn)一步探索，同時(shí)加深對(duì) Li-O₂電化學(xué)過(guò)程的理解，為未來(lái)LOB高效正極催化劑的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

圖 1 (a) C₆₀和 (b-d) O₂吸附在 (b) C₆₀、(c) CNT 和 (d) graphene上的能量最低結(jié)構(gòu)。

圖 2 (a) C₆₀、CNT 和graphene上沿 Li₂O₂-path-1 和 Li₂O₂-path-1 形成*Li₂O₂的自由能變化， (b,c) (b) Li₂O₂-path-1 和 (c) Li₂O₂-path-1 的動(dòng)力學(xué)曲線。

圖 3 (a) LOB 的 C₆₀中間體視圖， (b) C₆₀上 Li-O₂反應(yīng)的自由能圖， (c) C₆₀、CNT 和graphene上 Li₂O₂分解的動(dòng)力學(xué)能壘， (d) C₆₀的 Li 擴(kuò)散曲線。

圖 4 (a) *O₂、*LiO₂、*Li₂O₂和 *(Li₂O₂)₂的電荷差異圖，黃色區(qū)域表示電子獲得，藍(lán)色區(qū)域表示電子損失， (b) C₆₀、*Li₂O₂和 *(Li₂O₂)₂的態(tài)密度。

圖 5 (a) 在 1000 mAh·g^?1的有限比容量下，C₆₀、CNT 和graphene在 200 mA·g^?1下的放電-充電曲線，(b) 500 mAh·g^?1時(shí)不同陰極的過(guò)電勢(shì)，(c) 2.0?4.5 V 內(nèi) 0.05 mV·s^?1時(shí)不同陰極的 CV 曲線，(d) C₆₀電極在初始狀態(tài)和放電狀態(tài)下的 XRD 圖，(e) 固定容量為 1000 mAh·g^?1的 C₆₀在電流密度為 200 mA·g^?1時(shí)的放電-充電曲線。

Zhang X, Tian J, Wang Y, et al. C₆₀ as a metal-free catalyst for lithium-oxygen batteries. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6306-6.