锂二氧化碳（Li-CO₂）电池因其高理论能量密度以及捕获和转化二氧化碳的优异性能而备受关注。然而，Li-CO₂电池的可逆循环能力在很大程度上受限于二氧化碳析出反应的缓慢动力学，这导致其在充电分解时需要高达 4.0 V 以上的充电电位和超过1.5 V的充放电过电位，从而引发严重的极化和容量衰减。相关研究表明，贵金属催化剂，尤其是钌（Ru）基纳米催化剂在CO₂还原和Li₂CO₃分解方面表现出优异性能；同时，高温熔融盐电解质的引入则能进一步加速 Li-CO₂ 电池反应动力学过程，升高的工作温度在降低Li₂CO₃分解能垒的同时能够增强电池的离子电导率。然而，高温运行会使副反应加剧，钌的溶解速率增加，采用熔融盐电解质的高温Li-CO₂电池依旧存在循环寿命短、能量效率较低等问题。

本文报道了一种二氧化钛（TiO₂）纳米棒上负载双活性位点金钌（AuRu）催化剂的Li-CO₂电池阴极材料，基于此构筑了长循环寿命Li-CO₂电池。其中，TiO₂层能有效防止碳腐蚀，而由金（Au）和钌（Ru）组成的双活性位点设计所产生的电子协同效应，能够降低二氧化碳还原反应（CO₂RR）和二氧化碳析出反应（CO₂ER）的反应能垒。计算结果表明，这种协同效应产生了互补的催化作用：金（Au）促进 CO₂活化，而钌（Ru）则促进 Li₂CO₃分解，共同增强了整体反应动力学。因此，采用 AuRu/TiO₂阴极的 Li-CO₂电池表现出超长循环寿命（超过1100 次循环，约2200 小时）、低充电电压（2.9-3.1 V）、高能量效率（约77.9%）以及在高温环境下的优异稳定性。

图1. AuRu/TiO₂阴极材料的结构示意图与结合能分析。 (a) 碳基底和二氧化钛负载的金钌（AuRu）阴极材料示意图。(b) Li、CO₂和Li₂CO₃在Au和Ru表面的吸附构型及结合能。

图2. AuRu/TiO₂阴极的结构表征。(a) AuRu/TiO₂阴极制备过程示意图。(b) 沉积金钌纳米颗粒前（上）后（下）TiO₂ 纳米棒的SEM图像。(c) 沉积金钌纳米颗粒后TiO₂ 纳米棒的TEM和HRTEM图像。(d)AuRu/TiO₂阴极的TEM图像和元素分布。(e) AuRu/TiO₂阴极的XPS谱图。

图3. AuRu/TiO₂ 阴极用于Li-CO₂电池的电化学性能。(a) AuRu/TiO₂ 和 Ru/C 阴极在500 mAh g^-1 比容量下的初始恒流充放电曲线。(b) AuRu/TiO₂ 阴极在 1、2 和 4 A g^-1 电流密度下的循环稳定性。(c) AuRu/TiO₂ 阴极在不同电流密度下的初始充放电曲线。(d) AuRu/TiO₂ 阴极的长期循环性能。(e) AuRu/TiO₂ 阴极在0.1至1 A g^-1电流密度范围内测试的倍率性能。(f) AuRu/TiO₂ 阴极在不同电流密度下的电压差和能量效率。(g) 多种CO₂电催化剂的充电电位与循环稳定性对比图。

图4. 高温运行后放电态 AuRu/TiO₂ 阴极的结构表征。(a) 在 1 A g^-1电流密度下的放电电压曲线。(b) 放电态 AuRu/TiO₂ 阴极的SEM图像及相应的EDS元素分布图。(c) 放电态AuRu/TiO₂ 阴极的选区电子衍射（SAED）花样。(d)放电后AuRu/TiO₂ 阴极的 TEM图像。(e, f, g) 放电态AuRu/TiO₂ 阴极的HRTEM图像。(h) 放电态AuRu/TiO₂ 阴极的HRTEM图像及元素分布。(i) 放电态AuRu/TiO₂ 阴极的XPS谱图。

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.