成会明/蒋三平/周光敏ACS Nano: DFT筛选用于可逆Li-CO2电池的电催化剂

缺乏具有高活性的低成本催化剂导致Li-CO₂电池的电化学性能不尽如人意，具有金属-N_x部分的单原子催化剂（SAC）在改善电池反应动力学和循环能力方面具有巨大潜力。然而，如何合理选择和开发该高效电催化剂尚不清楚。

在此，中科院深圳先进院成会明院士、澳大利亚科廷大学蒋三平教授及清华大学深圳国际研究生院周光敏副教授等人基于CO₂吸附和Li₂CO₃分解势垒，采用密度泛函理论（DFT）方法从Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等一系列非贵金属中筛选出具有高活性的N掺杂石墨烯负载的SACs。其中，N掺杂石墨烯上的Cr单原子（SACr@NG）具有优异的CO₂吸附和L_i2CO₃分解能力，被认为是一种用于可逆Li-CO₂电池的高性能电催化剂。作者提出了一种“质子筛选”方法来抑制高质量负载SAMe@NG合成过程中高温下的团聚。考虑到结构因素将对Li-CO₂电池的三相反应产生主要影响，SAMe@NG在没有粘结剂的情况下进一步负载在多孔碳泡沫 ( SAMe@NG /PCF)上。

图1. DFT计算筛选结果

为了验证催化剂筛选方法的合理性，作者还合成了具有中、高CO₂吸附能和Li₂CO₃分解势垒的SACo@NG和SACu@NG以及NG，并将其应用于Li-CO₂电池。与计算结果一致，SACr@NG/PCF正极电池在所有倍率下都表现出最窄的过电位和非凡的稳定性，在100 μA cm^-2电流密度下的稳定循环超过350次且具有1.39 V 的窄电压间隙。而具有 SACo@NG/PCF、SACu@NG/PCF和NG/PCF正极的电池在相同的测试条件下只能分别循环216、176 和37次，并且具有大于2 V的过电位。这项研究不仅证明了单铬原子催化剂在CO₂反应中的有效性，而且为选择用于Li-CO₂电池的单原子催化剂提供了指导。

图2. 基于不同催化剂的Li-CO₂电池性能

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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