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缺乏具有高活性的低成本催化劑導(dǎo)致Li-CO₂電池的電化學(xué)性能不盡如人意，具有金屬-N_x部分的單原子催化劑（SAC）在改善電池反應(yīng)動力學(xué)和循環(huán)能力方面具有巨大潛力。然而，如何合理選擇和開發(fā)該高效電催化劑尚不清楚。

成會明/蔣三平/周光敏ACS Nano: DFT篩選用于可逆Li-CO2電池的電催化劑

在此，中科院深圳先進(jìn)院成會明院士、澳大利亞科廷大學(xué)蔣三平教授及清華大學(xué)深圳國際研究生院周光敏副教授等人基于CO₂吸附和Li₂CO₃分解勢壘，采用密度泛函理論（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(fù)載的SACs。其中，N摻雜石墨烯上的Cr單原子（SACr@NG）具有優(yōu)異的CO₂吸附和L_i2CO₃分解能力，被認(rèn)為是一種用于可逆Li-CO₂電池的高性能電催化劑。作者提出了一種“質(zhì)子篩選”方法來抑制高質(zhì)量負(fù)載SAMe@NG合成過程中高溫下的團(tuán)聚?？紤]到結(jié)構(gòu)因素將對Li-CO₂電池的三相反應(yīng)產(chǎn)生主要影響，SAMe@NG在沒有粘結(jié)劑的情況下進(jìn)一步負(fù)載在多孔碳泡沫 ( SAMe@NG /PCF)上。

圖1. DFT計(jì)算篩選結(jié)果

為了驗(yàn)證催化劑篩選方法的合理性，作者還合成了具有中、高CO₂吸附能和Li₂CO₃分解勢壘的SACo@NG和SACu@NG以及NG，并將其應(yīng)用于Li-CO₂電池。與計(jì)算結(jié)果一致，SACr@NG/PCF正極電池在所有倍率下都表現(xiàn)出最窄的過電位和非凡的穩(wěn)定性，在100 μA cm^-2電流密度下的穩(wěn)定循環(huán)超過350次且具有1.39 V 的窄電壓間隙。而具有 SACo@NG/PCF、SACu@NG/PCF和NG/PCF正極的電池在相同的測試條件下只能分別循環(huán)216、176 和37次，并且具有大于2 V的過電位。這項(xiàng)研究不僅證明了單鉻原子催化劑在CO₂反應(yīng)中的有效性，而且為選擇用于Li-CO₂電池的單原子催化劑提供了指導(dǎo)。

圖2. 基于不同催化劑的Li-CO₂電池性能

Toward an Understanding of the Reversible Li-CO₂?Batteries over Metal–N₄-Functionalized Graphene Electrocatalysts,?ACS Nano 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c10007

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