近年來，一種利用溫室氣體二氧化碳作為工作氣體的新型電池體系---鋰-二氧化碳電池得到了廣泛關(guān)注。這一電池體系具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉和高能量密度的特性，在未來的儲(chǔ)能和二氧化碳利用領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。當(dāng)前，鋰-二氧化碳電池主要面臨著儲(chǔ)能效率低、循環(huán)壽命短等問題。這些問題主要由于電池放電產(chǎn)物碳酸鋰電導(dǎo)率低、充電過電位高所致。此外，碳酸鋰在電池的充放電循環(huán)過程中在正極表面積累也會(huì)引起電池失效。因此，研究二氧化碳電化學(xué)還原與生成機(jī)制，并尋找一種可以有效促進(jìn)碳酸鋰電化學(xué)分解的催化劑材料是提升鋰-二氧化碳電池性能的關(guān)鍵。

我院何平與周豪慎老師自2014年以來，積極開展這一挑戰(zhàn)性課題的研究。他們采用溶劑熱法合成了負(fù)載在納米碳顆粒上的納米釕復(fù)合催化劑，并采用該材料（Ru@Super P）作為鋰-二氧化碳電池的正極催化材料。如圖1右所示，與純碳材料相比，Ru@Super P 催化劑電極顯示出更低的充電過電位，和高達(dá)86.2 %的庫(kù)倫效率（純碳：10.9 %）。說明納米釕顆粒對(duì)于碳酸鋰的分解過程具有明顯的催化活性。該團(tuán)隊(duì)利用電化學(xué)原位拉曼光譜（in-situ Raman Spectra）和差分電化學(xué)質(zhì)譜（DEMS）對(duì)電池充放電過程中電極成分和氣體釋放情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)分析，研究表明在電池充電過程中，納米釕顆粒可以有效地促進(jìn)碳酸鋰和碳之間的可逆的充電反應(yīng)并生成二氧化碳?xì)怏w，并同時(shí)避免電解液分解等副反應(yīng)（圖2）。該項(xiàng)工作不僅積極推動(dòng)了鋰-二氧化碳電池的性能的提升，還對(duì)于加深理解鋰-空氣電池在復(fù)雜條件下的反應(yīng)機(jī)制奠定了理論基礎(chǔ)。
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圖 1（左）：以碳負(fù)載納米釕催化劑作為正極材料的鋰-二氧化碳電池示意圖
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（右）：分別采用純碳材料和碳負(fù)載納米釕催化材料為正極以2 V~ 4.4 V 為截止電壓區(qū)間的鋰-二氧化碳電池全充放電曲線

  該工作于2017年3月23日在線發(fā)表在能源領(lǐng)域頂級(jí)期刊Energy & Environmental Science上（Energy & Environmental Science,2017, DOI: 10.1039/C6EE03770D，IF=25.427）。論文第一作者為我院2015級(jí)博士研究生楊思勰，論文通訊作者為何平副教授與周豪慎教授，化學(xué)化工學(xué)院的朱俊杰教授在光譜學(xué)測(cè)量分析上給予了重要幫助。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家納米重大研究計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省優(yōu)秀青年基金資助。
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