Small Methods: 非金属催化剂用于可充电水系Zn-CO2电池

近年来,化石燃料的过渡消耗造成大气中二氧化碳(CO2)浓度逐年递增,环境和能源问题严重阻碍了人类社会的可持续发展。因此,发展以CO2资源化为基础的可持续清洁能源具有重要意义。可逆金属-CO2电池通过模拟人工光合作用达到能源的持续供给和CO2资源化循环利用。然而CO2还原的选择性和循环稳定性受到限制,阴极催化剂的研制成为关键问题。相比于常用的金属催化剂而言,非金属催化剂具有价格低廉、稳定性强的优点,然而目前未见相关报道。

近日,天津理工大学新能源材料与低碳技术研究院罗俊教授团队的刘熙俊副研究员与云南大学胡广志研究员共同合作以“Metal-free Bifunctional Ordered Mesoporous Carbon for Reversible Zn-CO2 Batteries”为题在国际期刊Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.202001039)上发表通讯论文。天津理工大学的博士生高三双和深圳大学的刘亦帆博士为该论文的共同第一作者。在本文中,氮掺杂有序介孔碳(NOMC)被用于可充电水系Zn-CO2电池,电池阴极的CO2还原反应实现放电过程(CO2RR, CO2 + 2H+ +2e→ H2O + CO),析氧反应实现充电过程(OER, H2O → 1/2O2 + 2H+ +2e)。该电池模拟了绿色植物对CO2的固定过程,实现了CO2资源化以及能源的可持续供给。

作者采用高温煅烧法和硬模板刻蚀法成功制备了具有丰富电化学活性表面和氮活性位点的NOMC催化剂(图1)。其独特的有序介孔结构促进了CO2分子和活性位点的接触机率,保证了其高效的催化活性。双功能NOMC催化剂同时展现了较低的CO2RR和OER过电位,在电池放电过程中将CO2还原为一氧化碳(CO)的法拉第效率达到76%,最高功率密度达0.71 mW cm-2,能量效率达52.8% 。同时,300圈循环测试之后催化剂仍然保持较好的稳定性(图2)。