当前，对高能量密度器件的需求日益增加，各种新型储能系统被广泛研究。其中，可充电的Li-CO 2电池因其1876 W h kg -1的超高理论能量密度而变得十分具有吸引力。然而，Li-CO2电池正极上CO2还原析出反应（CRR和CER）动力学缓慢，严重阻碍了其实际应用。而Ru/C界面的合理设计有望同时降低中间物质的自由能势垒，可形成有利的电子结构，最终有效促进CRR和CER的催化反应动力学。
来自西安交通大学的学者合成了一种具有明确定义的Ru / C界面（Ru@CCA）的3D自支撑纤维素碳气凝胶（CCA），可作为Li-CO2电池的先进CO2正极。结果表明，在20 μA cm−2下放电容量为10.71 mA hcm−2，能效显著提高至80%，在100 μA cm−2时具有优异的循环稳定性（421次循环）。与最先进的Li-CO2正极相比，这些出色的性能具有很强的竞争力。此外，独特的界面设计策略可应用于其他非贵金属@CCA正极，从而证明了构建纳米结构金属/C界面在改善CRR和CER动力学方面的优势。这种对结构-性能关系的基本理解为设计Li-CO2电池的高效正极催化剂提供了新的灵感。相关文章以“Rational Design of Nanostructured Metal/C Interface in 3D Self-Supporting Cellulose Carbon Aerogel Facilitating High-Performance Li-CO2 Batteries”标题发表在Advanced Energy Materials。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202103681
图1. a) 吸附在 Ru/C 界面上的中间体结构优化（灰色：C；深青色：Ru；红色：O；紫色：Li）。b) Ru、碳和 Ru/C 界面上的放电-充电反应的吉布斯自由能图。c) Ru/C界面对应的电荷密度分布。d) Ru (100) 和 Ru/C 界面的部分态密度 (PDOS)。
图2. a) 独立式Ru@CCA的设计和制备过程。形态学和光谱表征：b）光学照片，c，d）不同尺度的 SEM 图像，e，f）TEM 和 HRTEM 图像，g）CCA 和 Ru@CCA 的拉曼光谱，h）精制 Ru 3p XPS 光谱的Ru@CCA，i) CCA 和 Ru@CCA 的 CO2 -TPD 光谱。
图3. 具有CCA和Ru@CCA正极的Li-CO 2电池的电化学性能。a) 20 µA cm -2下的全放电曲线。b) Ru@CCA 和 c) CCA 的选定放电和充电曲线，在20 µA cm -2下具有 100 µA h cm -2的固定容量。d) 能效曲线。e) 不同电流密度下的速率能力比较。f) 速率测试期间的潜在差距比较。g) 循环性能比较。h)在 100µA cm -2下固定容量为 100 µA h cm -2的 Ru@CCA 的放电和充电曲线。
图4. 不同阶段放电和充电产物的表征。Ru@CCA正极在 a) 放电和 b) 再充电后的 SEM 图像，电流为20 µA cm -2，固定容量为0.5 mA h cm -2 (a,b) 和 1.0 mA h cm -2(c,d)。e）非原位XRD图谱和f）对应于（a-d）阶段的拉曼光谱。g)放电和充电过程中 Ru@CCA 表面演化过程的图示。h)Ru@CCA 在放电至 6.0 mA h cm -2后的微观结构。
图5. a) Fe@CCA、Co@CCA和 Ni@CCA 的 XRD 谱。b)具有Fe@CCA、Co@CCA、Ni@CCA和CCA正极的Li-CO 2电池的过电位分别为20 µA cm -2。c) 具有Ru@CCA 正极的柔性 Li-CO 2电池示意图。d-j) 由柔性 Li-CO 2电池在不同弯曲状态下供电的点亮 LED；h) 弯曲 360° 后的开路电压照片。
本文通过在 CCA 表面上铆接金属 NPs 制造了一种高效的 3D 自支撑正极。CCA 的 3D 导电网络为构建催化位点和沉积放电产物提供了足够的空间。通常，选择负载的 Ru NPs 来构建丰富的 Ru/C 活性位点并揭示金属 NPs 和载体之间的结构-性能关系。实验结果和 DFT 计算都表明，Ru@CCA 中的Ru/C 界面可以有效地促进 CRR 和 CER 的动力学。当组装在 Li-CO 2电池中时，电池的能量效率显着提高了 80%，在 20 µA cm -2时具有 10.71 mA h cm -2的高放电面容量，以及在 100 µA cm -2下 421 次循环的超长循环寿命。随后，具有非贵金属@CCA（Fe@CCA、Co@CCA和Ni@CCA）正极的Li-CO 2电池性能的提高进一步证明了这种用于CRR和CER的正极催化剂设计策略的可行性。因此，这项工作开发了一种用于 Li-CO 2电池的柔性正极，并为从纳米尺度到宏观尺寸的高活性和鲁棒催化剂的合理设计提供了指导。（文：SSC）
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