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• 文章导读 ─────────────────────────────────────────────────────────────

近年来，可充电水系锌-二氧化碳（Zn-CO₂）电池受到了广泛关注，这种电池既能提供电力，同时还能将CO₂转化为增值化学品或燃料。尽管大量研究已证明了可充电水系Zn-CO₂电池的可行性，但仍然存在诸多挑战，包括较低的功率密度、电池容量以及能量效率等。如何设计高效稳定的阴极催化剂，改进现有Zn-CO₂电池构型，是提高Zn-CO₂电池性能的关键。

华东理工大学张玉研究员、河南大学田志红教授、江南大学刘天西教授等总结了近年来Zn-CO₂电池的工作原理、电池构型以及用于Zn-CO₂电池阴极催化剂的研究进展，详细讨论了Zn-CO₂电池催化剂阴极的重要性以及面临挑战，并从工作原理与器件设计、无金属催化剂、非贵金属催化剂、贵金属基催化剂和单原子催化剂等方面介绍了Zn-CO₂电池目前面临问题的解决途径。最后，总结并提出了Zn-CO₂电池发展前景与面临挑战，希望能为高性能水系Zn-CO₂电池的发展提供一定的指导。

图文摘要：Zn-CO₂电池研究进展

• 本文亮点 ─────────────────────────────────────────────────────────────

★ 系统介绍了Zn-CO₂电池中目前主要阴极催化剂及器件的相关研究进展；

★ 归纳总结了提升Zn-CO₂电池电化学性能的有效策略；

★ 展望了Zn-CO₂电池发展面临的机遇和挑战，提出了亟需探索和解决的问题，并对未来的研究方向提出建议。

• 图文解读 ─────────────────────────────────────────────────────────────

1. Zn-CO₂电池器件

目前实验室中通常使用H型电解池（见图1左）来评估Zn-CO₂电池的充放电性能。该电池器件通常被划分为阳极室和阴极室，并由离子交换膜隔开。通常，使用双极膜（BPM）来维持两侧电解质不同的pH值。由于H型电解池中的传质效率相对较低，因此测试得到的电流密度通常远低于实际需求。

为满足Zn-CO₂电池实际应用的要求，未来可以设计开放的不对称流动系统（类流动电解池），其中CO₂可以持续充入，还原产物可循环流出；同时，由于氧气生成过程中水的消耗，需要不断添加水（见图2右）。与广泛使用的H型电解池相比，流动电解池中阳极和阴极的间距更小，有利于提高离子传输速率并降低极化，从而提高电池的功率密度和能量效率。因此，未来通过采用流动电解池或其他特定设计的电解池，能够进一步提高Zn-CO₂电池的能效和稳定性。

图1. 电解池结构示意图

2. 无金属催化剂

碳基材料由于良好的导电性、较大的比表面积以及结构的可调性，被认为是一类很有潜力的Zn-CO₂电池阴极催化剂。通常，碳材料因其弱极化结构难以吸附和激活CO₂分子，在放电过程中表现出阴极二氧化碳还原反应（CO₂RR）的电化学惰性。因此，通过将杂原子（例如N、B、P）引入碳骨架并构建碳缺陷，可以有效优化碳材料电子结构，为CO₂RR提供高活性反应位点（图2）。

图2. 无金属催化剂阴极

3. 非贵金属催化剂

与非金属催化剂相比，具有丰富活性位点的非贵金属（例如Fe、Co、Ni）催化剂被证明具有良好的催化活性和高选择性。特别是，以碳基材料为载体的非贵金属催化剂可以保持良好的金属分散性，避免金属团聚；通过调整碳骨架还可以优化金属活性中心的电子密度，提高复合材料的电催化性能（图3）。与N配位相比，P原子具有多电子p轨道和相对较弱的电负性，使得活性位点更容易发生电子转移，从而提高CO₂RR（图4）的性能。另外，通过结构设计、杂原子掺杂等方法，基于Bi、In和Sn基的非贵金属催化剂均对CO₂RR表现出良好的催化活性和选择性（图5）。

图3. 杂原子掺杂金属/碳复合材料催化剂

图4. P 配位金属材料催化剂

图5. Bi基和Sn基催化剂

4. 贵金属基催化剂

在电化学领域，尽管贵金属资源稀缺且成本高昂，但因其出色的催化活性、高稳定性和高选择性仍然被广泛使用。研究表明通过晶面控制和纳米结构工程可以优化贵金属催化剂的催化性能。此外，采用与其他金属合金化或在导电基底上负载贵金属等策略也可有效提高贵金属的催化性能并同时进一步降低成本。目前，包括Pd、Au、Ag在内的贵金属催化剂是水系Zn-CO₂电池阴极催化剂的良好选择（图6）。

图6. 贵金属催化剂

5. 单原子催化剂

单原子催化剂（SACs）因其原子利用率高以及独特的催化特性而受到广泛的关注。与纳米颗粒催化剂相比，分布在导电基底上的单原子金属活性位点可以实现最大的原子利用率。重要的是，通过调节其配位环境，特定金属原子的催化活性和选择性可以在更广泛的范围内进行调控。通常，采用热解和电化学沉积等方法，可以将金属引入到杂原子掺杂的碳材料中，以调整活性中心的电子结构，从而提高该类催化剂的CO₂RR和析氧反应（OER）性能（图7）。

图7. 单原子催化剂

• 总结与展望 ──────────────────────────────────────────────────────────

本文全面概述了Zn-CO₂电池的最新研究进展、挑战和前景，讨论了Zn-CO₂电池的基本工作原理，并总结分析了无金属催化剂、非贵金属催化剂、贵金属基催化剂以及单原子催化剂在提升电池性能方面的机理。同时，对未来高性能Zn-CO₂电池的开发提出了如下建议：

1、开发同时具有CO₂RR和OER低过电势的双功能阴极催化剂，对提升电池电压及能量密度至关重要；

2、开发具有优异稳定性的阴极催化剂，使其能够经受反复的还原和氧化过程；

3、提高Zn电极的稳定性，对增强Zn-CO₂电池的循环性能也起到关键作用；

4、优化电解液组成，如通过使用两侧pH值接近的电解质，可将BPM替换为其他离子交换膜，以降低系统整体电压。

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本文来自江南大学刘天西教授、华东理工大学张玉研究员、河南大学田志红教授团队发表在Industrial Chemistry & Materials的文章：The Aqueous Zn-CO₂ battery: A route towards sustainable energy storage, https://doi.org/10.1039/D4IM00014E 

引用信息: Ind. Chem. Mater., 2023, DOI: 10.1039/D4IM00014E

• 作者简介 ────────────────────────────────────────────────────────────

通讯作者

刘天西，江南大学“至善特聘教授”，博士生导师。英国皇家化学会会士、国家杰出青年基金获得者、上海市优秀学术带头人、上海市曙光学者、上海市青年科技启明星、教育部新世纪优秀人才、德国洪堡学者。现任教育部科技委交叉科学与未来技术专委会委员、中国复合材料学会·纳米复合材料分会主任、超细纤维复合材料分会副主任、导热复合材料分会副主任。主要研究方向：高分子纳米复合材料、气凝胶功能复合材料、纳米纤维及其复合材料、纳米能源复合材料及器件。在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.等期刊发表SCI论文500余篇，他引3万余次，H因子93；2016~2018连续三年入选英国皇家化学会（RSC）材料科学“Top 1% 高被引学者”；2018年入选科睿唯安“全球高被引科学家”（材料科学）；2018~2023连续六年入选爱思唯尔“中国高被引学者”（材料科学、化学工程与技术）；2020年、2022年获上海市自然科学二等奖（排名第一）；获授权发明专利50余项；出版中、英文专著3部。

通讯作者

张玉，华东理工大学特聘研究员，博士生导师，上海市海外高层次引进人才。围绕新能源材料与器件领域，开展电化学能源存储与转化方向的关键材料与器件设计研究，在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊发表80余篇文章，总引用6500余次，H-index为35。

通讯作者

田志红，河南大学黄河学者，教授，博士生导师。主要研究方向为多孔聚合物材料、碳基杂化材料、电化学储能和催化。在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等期刊发表SCI论文40余篇，授权国家发明专利4项。作为中方负责人与德国马普胶体与界面研究所所长Markus Antonietti教授建立了“河南省共价有机聚合物杰出外籍科学家工作室”科研平台。

撰稿：原文作者

排版：ICM编辑部

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