【催化】上海交大王开学教授、陈接胜教授Angew：钌均相催化剂用于实现高效锂二氧化碳电池

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高能量密度的锂二氧化碳电池（~1876 Wh kg-1）有望成为下一代能源存储与转化器件，并对于认识锂空气电池的机理具有重要研究价值。电池将二氧化碳气体作为工作物质，采用轻质材料，因此对于碳捕获与火星探测也具有潜在价值。

 
然而，放电最终产物碳酸锂在充电时会引起超高的极化，因而电池的可逆循环需要超高的充电电压（通常高于4.3 V）。另一方面，异相催化剂的使用伴随复杂的多相界面问题，碳酸锂的沉积也会覆盖催化活性位点。
 
近日，上海交通大学的王开学教授、陈接胜教授第一次将三(2,2'-联吡啶)氯化钌作为锂二氧化碳电池均相催化剂，通过与放电中间产物相互作用，延缓了最终产物碳酸锂的生成，因而有效降低了充电极化，实现了高效的锂二氧化碳电池。相关研究成果发表于Angewandte Chemie International Edition（DOI: 10.1002/anie.202105892）。


（来源：Angewandte Chemie International Edition）

 

基于三电极体系的电化学测试表明，钌双效均相催化剂有效促进了CO2RR与CO2ER的热力学与动力学，从而有效改善了电池充放电过程的极化问题。通过旋转圆环圆盘电极测试发现，盘电极CO2RR过程的产物可以在环电势为3.8V时发生分解，低于碳酸锂的高分解电压；而在对照组（无钌催化剂的情况）环电势为3.8-4.1V时，并未检测到环电流。

 

将钌均相催化剂（30 mM）加入锂空气电池电解液（1.0 M LiTFSI/TEGDME），采用冰模板法合成的3D多孔还原氧化石墨烯为正极材料，采用玻璃纤维隔膜与金属锂为负极，组装成CR2025扣式半电池。当放电深度较浅（1000 mAh g-1）时，放电产物为无定形态，而不是晶态的碳酸锂；放电产物形貌为纳米级的颗粒，而不是碳酸锂的团聚态。当放电深度较深（10000 mAh g-1）时，无定形的中间体最终转化成了晶态的碳酸锂，引起了充电的极化问题。


（来源：Angewandte Chemie International Edition）

 

此工作第一次将钌均相催化剂用于高效锂二氧化碳电池，由于有机配体与无机阴离子的可调性，因而有望为开发基于钌均相催化体系的锂二氧化碳电池提供新的思路。



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