鋰二氧化碳（Li-CO₂）電池因其高理論能量密度以及捕獲和轉(zhuǎn)化二氧化碳的優(yōu)異性能而備受關(guān)注。然而，Li-CO₂電池的可逆循環(huán)能力在很大程度上受限于二氧化碳析出反應(yīng)的緩慢動力學(xué)，這導(dǎo)致其在充電分解時需要高達(dá) 4.0 V 以上的充電電位和超過1.5 V的充放電過電位，從而引發(fā)嚴(yán)重的極化和容量衰減。相關(guān)研究表明，貴金屬催化劑，尤其是釕（Ru）基納米催化劑在CO₂還原和Li₂CO₃分解方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能；同時，高溫熔融鹽電解質(zhì)的引入則能進(jìn)一步加速 Li-CO₂ 電池反應(yīng)動力學(xué)過程，升高的工作溫度在降低Li₂CO₃分解能壘的同時能夠增強電池的離子電導(dǎo)率。然而，高溫運行會使副反應(yīng)加劇，釕的溶解速率增加，采用熔融鹽電解質(zhì)的高溫Li-CO₂電池依舊存在循環(huán)壽命短、能量效率較低等問題。

本文報道了一種二氧化鈦（TiO₂）納米棒上負(fù)載雙活性位點金釕（AuRu）催化劑的Li-CO₂電池陰極材料，基于此構(gòu)筑了長循環(huán)壽命Li-CO₂電池。其中，TiO₂層能有效防止碳腐蝕，而由金（Au）和釕（Ru）組成的雙活性位點設(shè)計所產(chǎn)生的電子協(xié)同效應(yīng)，能夠降低二氧化碳還原反應(yīng)（CO₂RR）和二氧化碳析出反應(yīng)（CO₂ER）的反應(yīng)能壘。計算結(jié)果表明，這種協(xié)同效應(yīng)產(chǎn)生了互補的催化作用：金（Au）促進(jìn) CO₂活化，而釕（Ru）則促進(jìn) Li₂CO₃分解，共同增強了整體反應(yīng)動力學(xué)。因此，采用 AuRu/TiO₂陰極的 Li-CO₂電池表現(xiàn)出超長循環(huán)壽命（超過1100 次循環(huán)，約2200 小時）、低充電電壓（2.9-3.1 V）、高能量效率（約77.9%）以及在高溫環(huán)境下的優(yōu)異穩(wěn)定性。

圖1. AuRu/TiO₂陰極材料的結(jié)構(gòu)示意圖與結(jié)合能分析。 (a) 碳基底和二氧化鈦負(fù)載的金釕（AuRu）陰極材料示意圖。(b) Li、CO₂和Li₂CO₃在Au和Ru表面的吸附構(gòu)型及結(jié)合能。

圖2. AuRu/TiO₂陰極的結(jié)構(gòu)表征。(a) AuRu/TiO₂陰極制備過程示意圖。(b) 沉積金釕納米顆粒前（上）后（下）TiO₂ 納米棒的SEM圖像。(c) 沉積金釕納米顆粒后TiO₂ 納米棒的TEM和HRTEM圖像。(d)AuRu/TiO₂陰極的TEM圖像和元素分布。(e) AuRu/TiO₂陰極的XPS譜圖。

圖3. AuRu/TiO₂ 陰極用于Li-CO₂電池的電化學(xué)性能。(a) AuRu/TiO₂ 和 Ru/C 陰極在500 mAh g^-1 比容量下的初始恒流充放電曲線。(b) AuRu/TiO₂ 陰極在 1、2 和 4 A g^-1 電流密度下的循環(huán)穩(wěn)定性。(c) AuRu/TiO₂ 陰極在不同電流密度下的初始充放電曲線。(d) AuRu/TiO₂ 陰極的長期循環(huán)性能。(e) AuRu/TiO₂ 陰極在0.1至1 A g^-1電流密度范圍內(nèi)測試的倍率性能。(f) AuRu/TiO₂ 陰極在不同電流密度下的電壓差和能量效率。(g) 多種CO₂電催化劑的充電電位與循環(huán)穩(wěn)定性對比圖。

圖4. 高溫運行后放電態(tài) AuRu/TiO₂ 陰極的結(jié)構(gòu)表征。(a) 在 1 A g^-1電流密度下的放電電壓曲線。(b) 放電態(tài) AuRu/TiO₂ 陰極的SEM圖像及相應(yīng)的EDS元素分布圖。(c) 放電態(tài)AuRu/TiO₂ 陰極的選區(qū)電子衍射（SAED）花樣。(d)放電后AuRu/TiO₂ 陰極的 TEM圖像。(e, f, g) 放電態(tài)AuRu/TiO₂ 陰極的HRTEM圖像。(h) 放電態(tài)AuRu/TiO₂ 陰極的HRTEM圖像及元素分布。(i) 放電態(tài)AuRu/TiO₂ 陰極的XPS譜圖。

https://ic.cqupt.edu.cn/info/1272/22202.htm

Song X, Wang M, Zhang Z, et al. A long cycle lifespan and high energy efficiency Li–CO₂ battery enabled by dual-active site AuRu catalysts on TiO₂. Nano Research, 2025 18(9): 94907704. 

https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907704.