电子科技大学JMCA：锂-二氧化碳电池的金属相关电催化剂-探索未来战略的基本原理概述
第一作者：吕欢祝
通讯作者：王斌 教授
第一单位:电子科技大学 基础与前沿研究院
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ta/d2ta05756e#!divCitation
【背景】
人类社会期待着一种绿色、低碳、环保的生活方式。最近，国际能源机构公布，与2020年相比，2021年CO2排放量同比增长6%，总计363亿吨，达到有史以来的最高年度水平，这与走可持续发展道路背道相驰。在这一背景下，研究新材料试图从CO2中获取燃料和化学品，这已成为一个热门的研究课题。该研究方向包括CO2的电化学还原、CO2的光催化还原和CO2的生物处理等。近年来，作为一种新兴的CO2电化学利用技术，Li-CO2电池引起了全球科学界的广泛关注。
【工作简介】
近日，电子科技大学王斌教授团队在国际期刊《Journal of Materials Chemistry A》发表题为《Metal-Related Electrocatalysts for Li-CO2 batteries: An overview of the fundamentals to explore future-oriented strategies》的文章对Li-CO2电池金属基催化剂研究领域进行了深入讨论和全面考虑。首先系统的介绍了Li-O2/CO2和Li-CO2电池的还原和氧化反应机制。接下来，总结了金属基催化剂的最新研究成果，其中包括了贵金属基催化剂、过渡金属基催化剂以及近几年新兴的金属基催化剂（单原子、金属有机架构、共价有价有机架构）。
同时在这篇文章中结合以往的研究成果，提出了Li-CO2电池未来发展的机遇：
（1）用于Li-CO2电池的金属基催化剂的活性中心的演变需要深入探讨。在各种反应过程中，催化剂的结构并不固定，而是处于不断变化的过程中。在CO2电还原和CO2氢化等反应过程中，已经提出并研究了催化剂结构的动态演变，但在Li-CO2电池领域还没有开展类似的工作。实质上，由于活性中心的高强度反应性和能量，催化Li-CO2氧化和还原过程中缺陷结构的动态演变对催化活性和理解内在反应机制至关重要。
（2）由于计算能力的增强、算法开发的进步以及海量数据的可用性，现代社会已经看到机器学习的应用扩展到了许多材料的研究领域。在传统材料科学研究中，研究人员在实验过程中仅依靠材料测试和应用的经验来积累材料性能。显然，采用传统方法开发高性能新材料的时间长、效率低，并且受到实验条件的限制。与传统方法相比，机器学习可以为高效、准确的“自下而上”材料设计提供新的思路。研究人员根据收集到的材料相关信息进行数据挖掘，获取关键数据信息，然后构建人工智能算法并导入材料数据，最后训练具有材料设计功能的人工智能算法模型，以协助研究人员开发新材料。目前，借助机器学习对锂电池的研究已取得丰硕成果。在以往成功经验的基础上，利用机器学习开发先进的Li-CO2电池金属基催化剂是一条崭新而光明的道路。
（3）光电效应和等离子体相互作用有望被深入研究，以应用于Li-CO2电池的催化系统。光电效应在光电催化水分裂产生氢燃料，以及光电催化固氮成氨等方面都有广泛的报道，因为光生电子和空穴的形成可以加速电化学反应。光电效应在Li-CO2电池系统中的作用体现在，光生载体可以参与CO2的COER和CORR反应过程，提高Li-CO2电池的性能；等离子体是不同于固体、液体和气体的第四种物质状态。
当催化剂与等离子体相互作用时，催化剂的物理和化学性质就会发生变化，从而提高催化剂的活性；等离子体可以改变催化剂表面活性分子的价态，从而实现催化剂的表面改性。同时，光电效应和等离子体相互作用具有协同效应，局部增强的电场对光生载流子的分离和转移有很强的促进作用，因此实现了载流子在CO2还原和氧化中的充分利用。总之，光电效应和等离子体相互作用有望在Li-CO2电池催化系统中发挥关键作用。
（4）金属在气固体系中的作用机理尚未明确，研究人员最头痛的问题之一是Li-CO2电池体系。如前所述，Li-CO2电池是涉及多步骤反应的复杂系统，放电产物（Li2CO3、C、Li2C2O4、CO等）受许多因素的影响，如催化剂的类型、环境介质（电解质）和温度。因此，建议采用先进的表征技术，如DEMS、EXAFS、XPS、XRD、相关的原位表征等，以及相关的理论计算来研究Li-CO2电池的反应机制。
（5）Li-CO2电池的最终目标不仅仅是停留在理论研究的层面上，而是要在人们的实际生活中得到实际应用。因此，柔性Li-CO2电池被认为是作为可穿戴设备的下一代储能设备。柔性Li-CO2电池需要解决的关键问题在于柔性阴极的制造技术，重点是开发低成本、高效率、环保的独立催化剂。
总之，Li-CO2电池是早日实现碳中和和碳调峰的重要手段之一。相信通过对金属基催化剂研究的不断创新和努力，以及对Li-CO2电池系统反应机理的逐步明确，它有望在下一代储能系统中得到广泛应用。
【近期课题组在M-CO2电池的相关成果】
[1] Zhou J, Wang T, Chen L, et al.Boosting the reaction kinetics in aprotic lithium-carbon dioxide batteries with unconventional phase metal nanomaterials[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2022，119(40)：e2204666119.
[2] Qi G , Zhang J , Chen L , et al. Binder-Free MoN Nanofibers Catalysts for Flexible 2-Electron Oxalate-Based Li-CO2 Batteries with High Energy Efficiency[J]. Adv. Funct. Mater., 2022(22):32.
[3] Lin Chen, Jingwen Zhou, Junxiang Zhang, Guicai Qi, Bin Wang*, Jianli Cheng*, Copper Indium Sulfide Enables Li-CO2 Batteries with Boosted Reaction Kinetics and Cycling Stability, Energy & Environmental Material, 2022, 10.1002/eem2.12415.
[4] Xuelian Li, Guicai Qi, JunXiang Zhang, Jianli Cheng, Bin Wang*, Artificial Solid-Electrolyte Interphase and Bamboo-like N-doped Carbon Nanotube Enabled Highly Rechargeable K-CO2 Batteries, Adv.Funct.Mater.,2021,2105029.(Front Inside Cover).
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