【能源】一种可充电的水系Zn-CO2电池

来源：X一MOL资讯

注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

近年来，由人类社会的能源消耗过程造成的二氧化碳（CO2）排放量已达30亿吨/年，造成大气与海洋中的CO2浓度不断攀升，对人类的生存与可持续发展造成极大的威胁。而我国以煤炭为主的能源结构决定了我国承担着巨大的CO2减排责任与压力。因此，以CO2减排并作为资源化利用为目标的基础研究和技术开发工作具有重大意义。同时从减小对化石能源的依赖及对自然环境的压力的角度考虑，新型、高效、环境友好的CO2减排技术的研发越来越受到人们的关注。

金属-CO2电池是可持续能源和环境的一个有希望的优先事项。然而，非水电解质中的CO2利用主要涉及到二氧化碳电化学的困难，导致选择性差，循环性能受到限制。近日，中国科学院福建物质结构研究所的王要兵团队提出并实现了一种基于双功能Ir@Au阴极上可充电的可逆水系Zn-CO2电池。基于绿色环保的水系电解液，实现了对CO2温室气体的高效可逆利用，且非固态放电产物使其具有良好的循环性能。在电池放电过程中，阴极反应：CO2 + 2e + 2H+→CO+ 2H2O；在充电过程中，阴极反应：H2O→1/2O2 + 2e + 2H+。可调节地产生CO燃料气可达到90%法拉第效率。水系可充电的Zn﹣CO2电池，提出并实现了模拟光合作用过程中CO2固定和水氧化的分离步骤，同时具有效率高、产物可调谐、不依赖阳光的操作等优点。该电池通过燃料发电获得了68%的显著能源效率，为金属-CO2电池绿色、高效和安全地利用CO2提供了一种替代方案。

作者采用析氢辅助电沉积方法，成功地合成了具有丰富电化学活性表面的三维多孔Au枝晶，进一步通过化学吸附还原的方法得到Ir@Au材料。其特殊的微米级枝晶结构，能够有效保证电催化反应所需的传质和高活性。

在三电极体系中，在0.1 M KHCO3评价了Ir@Au的电化学二氧化碳还原（CDRR）性能。在恒电位电解过程中CO是CDRR唯一产物，350 mV过电位时CO法拉第效率达到85%。在Ir@Au催化剂上，CDRR在低过电位下的CO选择性远远优于HER竞争反应。用线性伏安法(LSV)评价Ir@Au在中性溶液中的电催化析氧(OER)活性。Ir@Au在电流密度为10 mA cm−2过电位为560 mV，超过Ir/C的过电位为620 mV。

上述结果证明，3D多孔Ir@Au作为双功能催化剂，对CDRR生成CO和OER生成O2具有高活性和低过电位选择性，这是实现水系可充电的Zn-CO2电池的基础。将其作为正极材料组装而成的水系Zn-CO2电池，在给定条件下开路电位达0.7 V，理论放电容量为583 Wh kg-1，达到水系锌能量转化/存储器件的水平。该方法为CO2固定/利用和能量转换与储存提供了一种更具潜力和更绿色的替代方案。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是福建物质结构研究所博士研究生王雪媛和副研究员谢佳芳。

最近，该课题组在CO2电催化材料及Zn-CO2电池领域取得了一系列其他进展，相关成果见Angew Chem., 2018, 57, 9640 (Cover); Angew Chem., 2018, 57, 13135; Angew. Chem., 2018, 130, 17242(Hot paper); J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 13952; J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 2575-2580 (Cover);并受邀撰写了相关综述ChemelectroChem, 2019, 10, 4497.