 导语 金属-CO2电池作为一种很有前途的兼具CO2固定/利用和能量转换/储存的技术，受到众多学者的关注。目前金属-CO2电池多配备高活性金属阳极和非水电解质体系，具有相当高的工作电压和能量密度。此类非水系金属-CO2电池的放电产物多为碳、碳酸盐或草酸盐，对CO2的转化/利用还有待提高。近日，中国科学院福建物质结构研究所王要兵研究员课题组提出并制备了一种基于CO2与HCOOH相互转化的可逆水系Zn-CO2电池，相关成果发表于Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.201811853）。 前沿科研成果 基于CO2和HCOOH相互转化的 可逆水系Zn-CO2电池 作者采用析氢辅助电沉积法，成功地合成具有特殊微米级枝状结构、微纳米级颗粒结构和纳米级内交联结构的三维多孔Pd（Figure 1）。三维多孔Pd具有丰富的边缘和孔结构，其丰富的电化学活性表面促进了低过电位下CO2选择性还原（CDRR）为HCOOH以及HCOOH选择性氧化（FAO）为CO2，从而为水系锌正极驱动CO2还原为HCOOH的自发反应提供了可能性。 （来源：Angew. Chem. Int. Ed.） 在三电极体系中，作者在0.1M NaCl溶液里考察了三维多孔Pd的CO2选择性还原反应。在恒电位电解过程中，HCOOH是CDRR唯一的产物。当过电位为180 mV时，HCOOH的法拉第效率为66%；过电位为380 mV时，HCOOH的法拉第效率达到89%（Figure 2d）。使用Pd作为催化剂时，CDRR在低过电位下的HCOOH选择性远远优于竞争性的HER反应。作者使用循环伏安法（CV）考察三维多孔Pd在中性溶液中的电催化HCOOH氧化活性。Pd催化剂在+0.42 V（vs RHE）时获得峰值电流密度为3.7 mA·cm−2（Figure 2e）。此外，作者在0.7 V之前只观察到一组还原和氧化峰，表明HCOOH主要是直接氧化为CO2（涉及HCOO·吸附中间体）。 （来源：Angew. Chem. Int. Ed.） 在设计组装水系可逆Zn-CO2电池时，作者采用两个相反方向的双极膜（BPM）来实现双室充放电过程（Figure 3）。在放电过程中，锌阳极溶解，电子释放，同时在Pd阴极上进行CO2→HCOOH转换。在充电过程中，金属锌在锌阳极上形成，Pd阴极上同时发生HCOOH→CO2转换。因此利用CO2和HCOOH的循环放电和充电过程，可以实现可逆水系Zn-CO2电池。将锌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0.89 V，理论放电容量为788 Wh·kg-1，达到水系锌能量转化/存储器件的水平。在0.56 mA·cm−2电流密度下，水系可逆Zn-CO2电池的初始放电和充电电压的电压差仅为0.19 V，能量效率达81.2%，10 h循环后电压差仅增加0.08 V。该方法实现了CO2与液体HCOOH的可逆转化，为CO2固定/利用和能量转换/储存提供了一种更具潜力和更绿色的替代方案。 （来源：Angew. Chem. Int. Ed.） 作者提出并制备了一种基于CO2与液体HCOOH相互转换的可逆水系Zn-CO2电池。该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。 上述工作发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，作者为Jiafang Xie（共同一作）, Xueyuan Wang（共同一作）, Jiangquan Lv, Yiyin Huang, Maoxiang Wu, Yaobing Wang, Jiannian Yao。上述研究工作得到了中国自然科学基金和福建省自然科学基金的资助。  |
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