陈仕谋教授、肖莹副教授， ESM综述：Li-CO2电池中过渡金属基催化剂调控的进展与挑战

第一作者：肖莎莎

通讯作者：肖莹*，陈仕谋*

单位：北京化工大学

锂-二氧化碳（Li-CO₂）电池具有较高的能量密度，并能实现对二氧化碳的有效利用和转化，近年来备受关注。然而，在电化学反应过程中，缓慢的CO₂转化反应动力学导致电池产生较大极化，降低电池寿命。过渡金属（TM）基催化剂，因具有独特的d轨道，在电催化领域展现出优越的性能。在Li-CO₂电池中，TMs催化剂能够有效加速CO₂反应动力学，促进放电产物的分解，提升电池性能，引起了人们的极大的研究兴趣。鉴于此，本文根据催化剂类型，对钌、铱、铂等贵金属TM基催化剂和钼、钴、铜、锰、铁、镍、铬、镉、钒、铟、钨、铼等非贵金属TM基催化剂在Li-CO₂电池中的热点改性策略和相关机理进行了综述。详细讨论了各类催化剂调控的最新的研究进展和作用机制。最后，介绍了过渡金属基催化剂应用于锂-二氧化碳电池的前景和挑战，旨在为高效Li-CO₂电池中高效正极催化剂的设计和优化提供有价值的指导。

近日，来自北京化工大学的陈仕谋教授、肖莹副教授，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Progress and challenges of transition metal-based catalysts regulation for Li-CO₂batteries”的观点文章。该文章分析了Li-CO₂电池用理想催化剂需具备的结构特征，深入讨论了TMs基催化剂应用于Li-CO₂电池的热点改性策略和相关机理，同时对未来的研究方向及需要解决的重点内容提出了见解。

Li-CO₂电池涉及复杂的气液固三相反应，因此，对催化剂的微观结构设计和活性调控对实现电池的优越性能至关重要。一般来说，理想的Li-CO₂催化剂应满足一下方面：具有分级孔；具有稳定的有序结构；对CO₂还原反应（CO₂RR）和CO₂析出反应（CO₂ER）有高催化活性。

Ru和Ir等贵金属TMs具有较大电子迁移率和较高的电子稳定性，能够有效催化CO₂还原。然而，该类催化剂存在成本高和电化学反应过程中活性位点不稳定等问题，阻碍了其性能的发挥及广泛应用。通过优化载体、复合低成本金属、构筑单原子位点、制备合金及相关化合物等能够有效降低贵金属用量及稳定活性位点，降低电池的成本，实现长循环寿命。

地壳中含量丰富的过渡金属Mo、W、Co、Cu、Mn、Fe、Ni、Cr、Cd、V、In和Re及其合金、氧化物、硫化物、氮化物、碳化物等具有较好的催化活性，且价格低廉、储量丰富，是替代贵金属催化剂的理想材料。依据各类材料的催化机理及存在的问题，汇总相关热点策略的研究进展。

为合理设计更高效、稳定性更好的TMs催化剂，提高电池循环寿命和能源效率，同时降低过电位，促进Li-CO₂在更多应用领域的发展，未来需要在以下几方面重点开展工作：1. 需要开发更先进的原位技术来监测催化剂活性位点的变化，以指导催化剂的有效构建。2. 需要可视化表征来为界面膜的形成提供直观的证据，为设计具有理想微观结构的先进催化剂提供有效的途径。3. 由于Li-CO₂电池的反应涉及多种相界面，探索其电化学反应机理和放电产物的成核路径对于有针对性地设计高效催化剂至关重要。因此，应进行深入的理论计算，以揭示催化剂表面的化学反应过程以及中间产物的形成和转化途径，从而清楚地了解催化机理。4. 探索先进的电解质，如凝胶、液体、固体和其他形式的电解质，使电池可在高压下稳定工作，避免电解质氧化对电池寿命和能源效率的影响。5. 需关注材料的可回收性、减少有毒副产品等。

Progress and challenges of transition metal-based catalysts regulation for Li-CO₂ batteries

陈仕谋教授简介：博士生导师，国家杰青。2002年本科毕业于郑州大学，2006年博士毕业于中国科学院上海应用物理研究所。2008年受日本学术振兴会资助前往名古屋大学任外国人特别研究员（JSPS fellow），之后在日本国立物质材料研究所从事博士后研究。2012年入选中国科学院“百人计划”。2017年百人计划终期考核优秀，2017年入选江苏省双创人才，2018年入选“智汇郑州”国家级领军人才，2019年获国家自然科学基金委优青，2023年入选英国皇家化学会会士，2024年获国家自然科学基金委杰青项目资助。2021年3月加入北京化工大学材料科学与工程学院，组建了先进能源材料与储能工程课题组，目前课题组有教授1人，副教授1人，主要从事锂离子电池、固态电池、钠离子电池、锌离子电池等方面的研究。近年来在J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Mater.; Energy Environ. Sci.; Acs Nano; Adv. Funct. Mater.; Energy Storage Mater.; 等杂志发表sci论文160余篇，申请国家发明专利40余项。

肖莹副教授简介：2015年博士毕业于北京理工大学，2015-2019先后在韩国汉阳大学和美国凯斯西储大学从事博士后研究工作，2020年入职北京化工大学，高层次人引进。主要从事钠电池及锂-二氧化碳电池关键材料构筑合成及应用研究工作。获得北京理工大学优秀博士毕业论文，中国博士后基金面上一等资助，国家自然科学青年基金等，在Angew Chem. Int. Ed.，Adv. Energy Mater.; Adv. Funct. Mater.; ACS Nano.; ACS Energy Lett.; Nano Energy等杂志发表SCI论文70余篇。