近年来，环境和能源问题受到人们的广泛关注。锂-二氧化碳电池能够利用二氧化碳存储能量，具有1876 Wh/kg的高理论能量密度，被认为是能够解决环境和能源问题的潜在的能量储存与转换装置。与传统的燃料电池相比，锂-二氧化碳电池的性能受限于二氧化碳还原和析出反应（CO2RR, CO2ER），而高效CO2RR和 CO2ER催化剂的设计开发是提升锂-二氧化碳电池性能的关键，也是锂-二氧化碳电池研究的重点。
近日，上海交通大学王开学教授等人详细回顾并总结了锂-二氧化碳电池中电催化剂的最新研究进展，并提出了从异相催化剂向均相催化剂的发展趋势，最后对锂-二氧化碳电池的未来发展做了展望。
图1 锂-二氧化碳电池电催化剂分类及催化机理示意图 图2 a）零维b）一维和c）二维碳正极材料的扫描电镜图片；d）3D打印得到的三维碳材料示意图 目前锂-二氧化碳电池性能的重要限制因素为碳酸锂分解困难造成的充电电压高的问题，过高的充电电压会引起电解质分解等副反应，从而影响电池体系的稳定性、能量转换效率和循环寿命。解决这些问题的关键在于开发高效电催化剂。锂-二氧化碳电池的电催化剂主要将催化剂负载到电池的集流体或导电载体上，因而又被称为异相正极催化剂。最早的正极催化剂为活性碳材料，随着研究的深入，陆续开发了零维、一维、二维以及三维碳催化剂，同时通过缺陷设计、杂原子掺杂等手段增加催化活性位点，进一步提高催化性能。或者引入了过渡金属催化剂，包含金属纳米粒子、过渡金属氧化物、过渡金属碳化物和过渡金属氮化物等，制成碳基体负载纳米颗粒的复合正极催化剂。除此之外，金属有机骨架（MOF）因其多孔性和金属元素的催化性等也被用作正极催化剂。 然而，锂-二氧化碳电池本身电极反应涉及到气-液-固多相界面，复杂的反应界面严重影响了反应的动力学。近年来，为了简化反应界面引入了均相催化剂，主要有卤素、有机小分子及金属有机配合物等三类。与非均相催化剂相比，均相催化剂有利于催化剂与反应体系的有效接触，可以简化反应界面，加快反应动力学，具有更好的发展潜力和研究前景，是提升锂二氧化碳电池性能的有效途径。选择均相催化剂时要考虑在电解液中的溶解性及充放电电位下的稳定性。目前均相催化剂的研究较少，且相关催化机理有待进一步明确，仍需长期的探索与努力。 图3 钌(II)催化剂在锂-二氧化碳电池反应中的作用示意图 图4 SPC-催化二氧化碳还原反应（CO2RR）的作用机理 论文信息： Catalysts for Li-CO2 Batteries: from Heterogeneous to Homogeneous Qian-Qian Hao, Zhen Zhang, Ya Mao, Prof. Kai-Xue Wang* 文章的第一作者是上海交通大学的研究生郝茜倩。 ChemNanoMat DOI: 10.1002/cnma.202100381
