化学家使用具有非常规相纳米结构的催化剂提高环保电池性能

金属-二氧化碳电池是一种很有前途的环保技术，但其能源效率有限。最近，由香港城市大学(CityU)化学家共同领导的研究团队发现了一种创新的方法来解决这个问题，通过引入非常规相纳米材料作为催化剂，将电池能量效率提高到83.8%。该研究揭示了新一代元气体电池催化剂的新颖设计，有助于实现碳中和目标。

金属-二氧化碳电池可为电子产品提供持久的电能(高能量密度)，并能在不消耗外部电路额外能量的情况下固定二氧化碳(CO2)，将排放的CO2温室气体转化为增值产品(图1)).特别是锂-二氧化碳电池理论能量密度高(1876Whkg-1)，有望成为下一代高性能能量转换和存储技术的候选者。

然而，金属-CO2电池仍然存在反应动力学缓慢的问题。这会导致较大的过电位(即需要比理论确定的更多电压或能量来驱动使电池工作的氧化还原反应)、低能量效率、差的可逆性和有限的循环稳定性。

传统催化剂改性策略的技术障碍

“研究人员通常认为复合阴极催化剂中金属基成分的形态、尺寸、成分和分布是导致电池性能差异的主要问题，”城大化学系助理教授范占西博士说，和研究的领导者之一。

“但我们发现制备具有非常规相的新型催化剂是提高金属-气体电池能源效率和性能的可行且有前途的策略，特别是因为传统的催化剂改性策略遇到了长期的技术障碍。”

范博士及其团队在金属基纳米材料晶相精确调控方面积累了丰富的经验和知识，能够选择合适的元素构建非常规相，进而研究催化剂晶相对纳米材料的影响。某种非质子(即不涉及氢离子)金属气体电化学的反应动力学。“然而，这并不意味着这个过程很容易实现，因为它涉及对有机环境中阴极催化剂双功能的严格要求，”范博士解释说。

该团队通过控制Ir在金(Au)模板上的生长动力学，合成了具有非常规4H/面心立方(fcc)异相的铱纳米结构。在他们的实验中，与其他金属基催化剂(通常充电电位为超过3.8V，能效高达75%)。

团队进行的实验和理论计算相结合表明，通过相工程创建的4H/fccIr纳米结构更有利于非晶/低晶放电产物的可逆形成(图2)，从而降低过电位并促进循环电化学氧化还原反应的稳定性。不寻常的相4H/fccIr纳米结构比普通的fccIr表现得更好，并且与其他报道的非质子Li-CO2电池中使用的金属基催化剂相比，实现了出色的充电势和能量效率。

“这项研究揭示了催化剂相工程在金属-气体电化学中的巨大潜力。它为设计催化剂以开发可持续的电化学能量转换和存储系统开辟了新的方向，”范博士总结道。

该研究结果最近发表在美国国家科学院院刊(PNAS)上，题为“使用非常规相金属纳米材料提高非质子锂-二氧化碳电池中的反应动力学”。