伊尔梅瑙工业大学雷勇教授&郑州大学邵国胜教授 AM：多尺度缺陷界面实现超长寿命 Na-CO2电池

第一作者：徐昌藩

通讯作者：雷勇*，邵国胜*

单位：伊尔梅瑙工业大学，郑州大学

随着全球能源需求的不断增长，二氧化碳（CO₂）循环和能源储存成为当前科技发展的热点。钠-二氧化碳（Na-CO₂）电池以其高能量密度（1125 Wh/kg）和 CO₂循环再利用潜力而备受关注。然而，该电池的循环寿命一直受到阴极 CO₂还原反应（CO₂RR）和CO2氧化反应（CO₂ER）动力学缓慢以及钠金属阳极沉积不稳定等问题的限制。

近日，伊尔梅瑙工业大学雷勇教授与郑州大学邵国胜教授合作，在国际 知 名 期刊Advanced Materials 上发表题为“Multiscale Defective Interfaces for Realizing Na-CO₂Batteries With Ultralong Lifespan”的研究论文。该研究提出了一种“two-in-one”电极设计，利用多尺度的 FeCu缺陷界面显著提升了 Na-CO₂电池的性能。该电极不仅能够加速 CO₂的还原和氧化反应，还通过调控钠的沉积行为，极大提升了电极的催化能力和钠亲和性，为解决 Na-CO₂电池阴极和阳极的双重挑战提供了新思路。

电极的设计目标是为 Na-CO₂电池提供双效作用：在负极端优化钠的沉积行为，在正极端提升CO₂RR/CO₂ER 动力学。密度泛函理论（DFT）计算表明铜掺杂铁氧化物在电极表面的电子密度重分布，提高了 Na+和 CO₂分子的吸附能，从而促进了金属钠沉积和CO₂的转化。

通过原子错配驱动重构的多尺度缺陷界面概念，制备了生长在碳纸电极上的铜掺杂氧化铁纳米粒子（CP@FeCu）。微结构研究证明了 CP@FeCu 具有原子级铜缺陷、孪晶界、纳米级镶嵌、空位和晶格畸变等多尺度缺陷界面。

CP@FeCu 电极具有优异的钠离子迁移特性和钠沉积行为。铜掺杂增加了电极的钠吸附位点，降低了钠沉积的能垒，钠在电极上均匀沉积，抑制了枝晶的形成，显著提高了电池的循环稳定性。

多尺度缺陷界面诱导铁铜价态振荡效应，在 CO₂RR/CO₂ER 过程中有效地促进了反应物的吸附和 Na₂CO₃的分解，并在 5 μA/cm₂的条件下实现了 2400 次循环（4800 小时）。此外，在高电流密度下（50 和 100 μA/cm₂）也保持了稳定的循环性能，展示出良好的电化学稳定性和可逆性。

为了评估 CP@FeCu 双功能 电极 在 实际 应用 中 的可 行性 ，还 研 究了 以 同 时 使 用CP@FeCu 作为 Na 金属的宿主材料和 CO₂阴极的“Anode-less” Na-CO₂电池。结果表明，CP@FeCu 不仅可以作为钠沉积的三维宿主，还能以其出色的可逆性防止钠损失。即使在 Na-CO₂电池这样的开放环境中，极低的钠金属用量也能显著提高 Na-CO₂电池的循环寿命。

Multiscale Defective Interfaces for Realizing Na-CO₂Batteries With UltralongLifespan

雷勇教授：德国伊尔梅瑙工业大学教授，应用纳米物理研究院负责人。2001年在中国科学院获得博士学位。2001-2003 年在新加坡－麻省理工学院联盟、新加坡国立大学进行博士后研究。2003年作为洪堡学者在德国卡尔斯鲁厄理工大学进行科学研究，2006 年在德国明斯特大学担任研究团队负责人。2011 年至今，在德国伊尔梅瑙工业大学担任终身教授。主要专注于功能纳米结构在能源存储和转换中的研究，在有序纳米结构、钾离子和钠离子电池等领域享有研究盛誉。目前已发表SCI 论文 310 多篇，包括 8 篇 Nature 子刊，影响因子大于 20 的论文 32 篇，引用约2.3 万次（H-index 81）。雷勇教授作为项目负责人获得了 2 项欧洲研究理事会（ERC）重大研究项目、以及德国联邦教育与研究部（BMBF）和德国研究基金会（DFG）等多项研究项目（共超过 750 万欧元）。目前担任多个国际刊物的编委会成员：Advanced Energy Materials编委；Energy & Environmental Materials副主编；Science China Materials 编委；InfoMat 编委；Carbon Energy 编委。

邵国胜教授：郑州大学特聘教授，国家级低碳与环保材料智能设计国际联合研究中心主任，杂志 Energy & Environmental Materials 创刊主编，英国Surrey 大学客座教授（2018 -）。创建郑州大学研究生创新基地、郑州新世纪材料基因组工程研究院（2016，www.zmgi.net）。1995 年在英国 Surrey 大学获得博士学位，后在英国 Brunel 大学任副教授，在英国 Bolton 大学担任教授、创建再生能源与环境技术研究所。近年研究集中于先进能源与环保材料理论设计、制备、表征与应用成果推广，发表包括 Nature 的主流学术期刊论文 390 余篇，获得授权国际/国家专利数十项，并孵化技术公司进行产业推广。