东南大学张一卫教授课题组 Small观点：构筑CoRu双金属位点用于促进Li-CO2电池性能

第一作者：邓庆华

单位：东南大学  南京理工大学

缓解因CO₂的过度排放而导致的全球气温上升、进而实现“碳中和”取决于先进的CO₂捕获与转化技术的发展。近年来，通过电化学、光化学和热化学途径实现CO₂的催化还原取得了长足的研究进展。在已探索的催化反应体系中，Li-CO₂电池可以同时实现对CO₂的富集、电催化转化以及实时的能量输出。其作为新兴的储能设备，自问世以来就因其对环境友好性、良好的CO₂固定能力和较高的理论容量（1876 Wh kg^-1）而备受关注。然而，具有绝缘性和热力学稳定性的碳酸锂(Li₂CO₃)在电化学过程中不可避免地产生，这严重阻碍了Li-CO₂电池的可逆性与能量效率。因此，开发高性能催化正极对于促进Li₂CO₃的高效分解、过电势降低、充放电容量与循环寿命的提高等具有重要意义。除此之外，Li₂CO₃作为Li-空气电池的主要副产物，深入探究其生成与分解过程，对于开发高性能Li-空气电池也具有重要的反馈价值。而当前Li-CO₂电池高效催化正极的开发和电化学机理的认识还缺乏足够的研究，影响了其进一步的使用。因此，设计高效Li-CO₂电池催化正极以及深入探究其电化学反应机理值得更多研究者们的关注。

近日，来自东南大学的张一卫教授课题组在国际知名期刊Small上发表题为“Creating CoRu Dual Active Sites Codecorated Stable Porous Ceria Support for Enhanced Li-CO₂Batteries Cathodes”的观点文章。该观点文章分析了双金属活性位点的构筑策略以及在促进Li-CO₂电池电化学性能问题上的进展。

过渡金属具有活性位点可调性强、电化学活性高、电子结构独特等优点，构建基于过渡金属的电催化剂已被证明可有效改善锂-CO₂电池性能。然而，目前过渡金属基活性位点的构建往往只考虑单一物种，而双金属物种的构建及其相互作用对电化学性能的深远影响仍有待探索。在电化学性能稳定的支持物的帮助下装载活性物种有望有效解决这一问题。构建合理的金属支撑结构有助于界面上活性物种与反应物分子的有效接触，从而促进电子结构的优化和异相电化学反应的增强。

在以CeO₂作为载体构建了基于CoRu双金属活性位点的催化活性物质，并将其用于锂-CO₂正极。研究结果表明，引入MOFs前驱体作为前驱体，不仅能促进活性位点的构建和均匀分散，还能为CO₂和电解质提供充分的扩散通道。得益于双金属活性位点的协同效应，电化学活性和电化学稳定性显著增强，基于CoRu-CeO₂的Li-CO₂在 100 mA g^-1的速率下实现了卓越的放电性能（19078 mAh g^-1）、循环性能(>175 次循环）和低过电位（1.21 V）。进一步的密度泛函理论（DFT）计算表明，与单金属位点相比，双金属位点在d带中心调控、表面电子结构重构和二氧化碳吸附方面表现出明显的优化。