成果簡介
由於缺乏低成本、高活性的催化劑，Li-CO2電池的電化學效能並不令人滿意。具有金屬−Nx結構的單原子催化劑（SACs）在提高電池反應動力學和迴圈效能方面具有極大潛力。然而，如何合理選擇和開發高效電催化劑仍極具挑戰。本文，清華大學深圳國際研究生院周光敏副教授等研究人員在《ACS NANO》期刊發表名為“Toward an Understanding of the Reversible Li-CO2 Batteries over Metal–N4-Functionalized Graphene Electrocatalysts”的論文，研究報道了採用密度泛函理論（DFT）方法，從Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等一系列非貴金屬中篩選出具有高活性的N摻雜石墨烯負載的SACs。其中，N摻雜石墨烯上的Cr單原子（SACr@NG）由於具有優異的CO2吸附和Li2CO3分解能力，被認為是一種用於高效能可逆Li-CO2電池的材料。
為了驗證 DFT 計算的有效性，開發了一種兩步法在多孔碳泡沫 ( SAMe@NG /PCF)上製造SAMe@NG ，負載量約為 8 wt%。與理論計算一致，具有SACr@NG /PCF 正極的電池表現出優異的倍率效能和迴圈能力，具有較長的迴圈壽命在100 μA cm−2電流密度的迴圈壽命超過350次。這項工作不僅展示了可逆Li-CO2電池的催化劑選擇原則，而且展示了單原子催化劑的可控合成方法。
圖文導讀
圖1. (a)CO2在SACr@NG 、SAMn@NG 、SAFe@NG 、SACo@NG 、SANi@NG 、SACu@NG和 NG表面的吸附能。(b) Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu的pDOS；插入的灰色虛線是d波段中心。(c) d帶中心與 CO 2吸附能之間的關係。(d)Li2CO3在SACr@NG , SAMn@NG , SAFe@NG , SACo@NG , SANi@NG , SACu@NG表面的吸附能。(e) Li2CO3在SACr@NG 、SAMn@NG 、SAFe@NG 、SACo@NG 、SANi@NG 、SACu@NG和 NG 上的分解能壘和 (f) 詳細分解路徑。
圖2. (a) SAMe@NG /PCF合成示意圖。(b) SACr@NG /PCF的AC- HAADF -STEM 影象。(c) K邊X射線吸收近邊結構 (XANES)，(d)FT-EXAFS 光譜，（e) Cr 箔、Cr2O3和SACr@NG的Cr WT-EXAFS圖樣品。(f) SACr@NG 的EELS 光譜。(g) SACr@NG在 R 和 K 空間對應的 EXAFS 擬合曲線；插圖顯示了一個示意圖模型。
圖3. (a)電流密度為 50 μA cm –2 時容量為 1500 μA h cm –2的陰極的恆電流放電和充電曲線。(b) SACr@NG /PCF正極在不同電流密度下的放電/充電曲線。（c-g）SACr@NG /PCF、SACo@NG /PCF、SACu@NG /PCF和NG/PCF在不同電流密度下的電壓間隙和能量效率。放電和充電曲線SACR @ NG選定週期/ PCF，放電和充電電壓和時間-電壓在100μAcm 2的電流密度的四個陰極的曲線-2具有有限100 μA h cm –2 的容量。
圖4. (a) U=2.85V時Li-CO2電池反應途徑的吉布斯自由能圖。(b) Li-CO2電池中SACr@NG /PCF的圖示。
小結
綜上所述，本研究不僅證明了Cr單原子催化劑在CO2反應中的有效性，而且為合理選擇單原子催化劑用於Li-CO2電池提供了依據。
文獻：
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c10007
