二氧化碳的碳捕獲、利用和封存（CCUS）是應(yīng)對全球氣候變化挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。在各種CCUS技術(shù)中，Li-CO2電池因能將溫室氣體CO2轉(zhuǎn)化為增值化學(xué)品(碳酸鹽、草酸鹽等)并產(chǎn)生電能而受到全世界的關(guān)注。其中碳酸鹽路徑的Li-CO2電池具有高的能量密度和放電平臺，因此在電動(dòng)汽車、柔性可穿戴設(shè)備、深海探測和未來的火星遷移中具有潛在的應(yīng)用前景。 但是由于CO2分子中較強(qiáng)的C-O化學(xué)鍵以及氣液固三相界面之間較差的離子/電子傳導(dǎo)能力，導(dǎo)致Li-CO2電池的放電電壓通常為2.0-2.5 V。此外，陰極表面會被絕緣放電產(chǎn)物L(fēng)i2CO3所覆蓋減慢后續(xù)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)，甚至導(dǎo)致放電電壓低于2.0 V。然而，過低的放電電壓會導(dǎo)致電能質(zhì)量下降。目前，一些新興催化劑通過促進(jìn)Li2CO3的形成，使放電電壓逐漸接近理論放電電壓2.80 V，但是突破理論值仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。 近日，西安交通大學(xué)胡小飛教授課題組使用酞菁鈷作為均相催化劑構(gòu)建了一個(gè)結(jié)構(gòu)為Li/LiTFSI-TEGDME-CoPc/Mo2C的Li-CO2電池體系，電池的放電平臺不僅被提高到2.98 V，還可以在-30-80 ℃下保持高于理論值的放電平臺正常工作。
電池在放電過程中，均相催化劑酞菁鈷首先吸附CO2形成中間體，接下來中間體代替CO2得電子后結(jié)合Li+，最終生成Li2CO3和C的同時(shí)釋放催化劑酞菁鈷，從而提高放電平臺。通過TOF-SIMS證明了中間體的存在，原位拉曼光譜證明了電池的高度可逆性。 同時(shí)DFT理論模擬計(jì)算也表明酞菁鈷對CO2有合適的吸附能，有利于中間體的生成，從而提高Li-CO2電池的放電平臺。 最終，結(jié)構(gòu)為Li/LiTFSI-TEGDME-CoPc/Mo2C的Li-CO2電池表現(xiàn)出高的比容量，優(yōu)異的倍率性能，良好的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的溫度適應(yīng)性。該工作為設(shè)計(jì)高活性均相催化劑提供了強(qiáng)有力的啟示，為進(jìn)一步研究Li-CO2電池提供了一個(gè)普遍有效的策略。
論文信息 Elevating Discharge Voltage of Li2CO3-Routine Li?CO2 Battery over 2.9?V at an Ultra-Wide Temperature Window Ning Zhao, Limin Liu, Xuan Lu, Yuyang Li, Xiaosha Wu, Shaochen Peng, Jingwen Wei, Yang Gao, Hanqi Zhang, Yiming Fan, Zicheng Yin, Rongfen Feng, Ru Wang, Prof. Xiaofei Hu, Prof. Shujiang Ding, Prof. Wenfeng Liu 文章的第一作者是西安交通大學(xué)博士研究生趙寧。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202407303
