【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】實現(xiàn)“雙碳”目標亟需創(chuàng)新性碳中和技術(shù)，而二氧化碳的高效利用是關(guān)鍵突破口。鋰-二氧化碳電池以溫室氣體二氧化碳作為能源載體，理論能量密度高達1876 Wh·kg-1，兼具碳固定與儲能的雙重功能，為能源結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了新路徑。此外，在火星探測領(lǐng)域，該技術(shù)更具戰(zhàn)略意義——火星大氣富含二氧化碳(占比超過95%)，若實現(xiàn)其電化學(xué)高效轉(zhuǎn)化，可建立“原位資源-能源”循環(huán)系統(tǒng)，大幅降低載人任務(wù)對地球補給的依賴，對推動深空探測的可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義。
然而，當前鋰-二氧化碳電池的實際應(yīng)用還面臨多重挑戰(zhàn)，包括高過電位、循環(huán)穩(wěn)定性差、倍率性能不足以及由于放電產(chǎn)物L(fēng)i2CO3寬帶隙特性導(dǎo)致的有限放電容量，CO2反應(yīng)動力學(xué)遲緩進一步加劇了這些問題，因此開發(fā)高效正極催化劑勢在必行。合理的催化劑設(shè)計可加速CO2轉(zhuǎn)化動力學(xué)、降低過電位、提高能量轉(zhuǎn)換效率并增強循環(huán)穩(wěn)定性，從而推動Li-CO2電池的實用化。
針對上述難題，西安交通大學(xué)何雅玲院士、郗凱教授團隊攜手吉林大學(xué)徐吉靜教授提出了一種基于d-p軌道雜化調(diào)控的新型催化設(shè)計策略。通過調(diào)控過渡金屬與硫族元素間的電子耦合，顯著優(yōu)化Li-CO2電池氧化還原反應(yīng)動力學(xué)。研究以錳基硫族化物(MnX, X=O, S, Se)為模型體系，結(jié)合密度泛函理論(DFT)計算與實驗驗證，系統(tǒng)揭示了陰離子化學(xué)對電子結(jié)構(gòu)及催化性能的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Mn與S之間的d-p軌道雜化作用最強，可有效提升金屬中心電子密度，降低CO2活化與Li2CO3分解能壘，從而顯著加速反應(yīng)動力學(xué)。這種催化策略使Li-CO2電池在100 mA·g?¹電流密度下實現(xiàn)了高達19782 mAh·g?¹的優(yōu)異放電容量，并在500 mA·g?¹條件下展現(xiàn)出超過430圈的出色循環(huán)穩(wěn)定性。
這項研究不僅提出了基于d-p軌道雜化調(diào)控的催化策略，有效加速了Li-CO2電池中CO2和Li2CO3的氧化還原反應(yīng)動力學(xué)，也為其他金屬-二氧化碳電池的催化材料設(shè)計提供了重要思路。研究成果以《通過d-p軌道雜化調(diào)控提升Li-CO2電池氧化還原反應(yīng)動力學(xué)》(“d-p Orbital Hybridization Tailoring for Boosted Redox Kinetics in Li-CO2 Batteries”)為題發(fā)表于《先進功能材料》(Advanced Funtional Materials)上。
西安交通大學(xué)碩士生李佳甜，博士生劉理民為本文共同第一作者。參與本工作的還有西安交通大學(xué)丁書江、馮國棟、陳圣華、唐俊馬和曾令有教授，劍橋大學(xué)Vasant Kumar教授，中山大學(xué)張云蔚副教授等。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、陜西省秦創(chuàng)原創(chuàng)新人才計劃等項目資助。論文表征分析得到了西安交通大學(xué)國家儲能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺和西安交通大學(xué)分析測試共享中心的支持。
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