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二氧化碳(CO2)的捕获和储存对于应对全球气候变化的巨大挑战具有重要意义。为了解决这一问题，金属-CO2电池被认为是最有前途的解决方案之一。其中，锂-二氧化碳电池(LCOB)在提供最高工作电压和能量密度方面脱颖而出。锂-二氧化碳电池(LCOB)被认为是实现高效固碳和储能的重要策略。然而，大多数典型的放电产物(Li2CO3和C)是不溶性的，因此需要很高的充电过电位(≈3.5-4.5V)才能分解。
来自日本国立材料科学研究所和南京航空航天大学的学者提出了一种全新的以HCOOH为放电产物的，以CO2为动力源的水基锂-二氧化碳电池(LCOB)。溶解的HCOOH可以直接用于充电过程，不需要进一步的提纯或压缩，实现了非常简单的电化学循环。具有较高电化学比表面积的纳米孔钯膜对CO2还原和甲酸氧化都表现出很高的双功能性能。相应地，组装的LCOB获得了2.61V的高工作电位，而充电电位显著降低到2.87V，提供了最高的能量效率（91%）。相关文章以“Aqueous Formate-Based Li-CO2 Battery with Low Charge Overpotentialand High Working Voltage”标题发表在Advanced Energy Materials。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202101630
图1.水性LCOB的设计。A)水性Li-CO2电池及其反应机理示意图；b)LAGP隔板的SEM图像和照片(插图)；c)水性和常规非质子LCOB的比较。
图2|多孔钯膜的合成和表征。A)在碳纸上电沉积钯薄膜的示意图。b，c)SEM图像，d，e)HR-TEM图像，f)XRD图谱，g)Pd3D的高分辨率XPS谱。
图3| 多孔钯膜的催化活性。A)在0.1M LiCl溶液(N2和CO2)中获得的钯膜的线性扫描伏安(LSV)曲线，并与碳纸(CO2)的线性扫描伏安曲线进行比较；b)计算在不同电位下获得的甲酸盐产物的法拉第效率(FE)；c)在1 M LiCl和0.1 M HCOOLi溶液中获得的多孔Pd膜和块状Pd的循环伏安(CV)曲线；d)0.4V下的计时安培测试(相对于RHE)。
图4.含水LCOB的电池性能。以多孔a)Pd膜和b)块状Pd为正极的典型恒流放电/充电曲线(在0.2mA·cm-2下)；c)本研究中的水基Li-CO2电池与文献报道的其他非质子型Li-CO2电池的首次循环过电位和往返能量效率的比较；d)在不同电流密度下的倍率性能(0.1mA·cm-2~1mA·cm-2)；e)0.2 mA··cm-2下的长期循环试验。
综上所述，本文首次以甲酸为放电产物，以纳米孔Pd薄膜为阴极，SSE LGAP为隔膜，成功制备了一种新型的水基LCOB。以嵌段共聚物P-123为模板，采用电沉积法制备了具有较高ECSA和丰富内部通道的多孔钯膜。在中性溶液中的CO2RR试验中，检测到HCOOH是唯一的液体产物，在0.38V(相对于RHE)的低电位下，法拉第效率高达90%。多孔Pd薄膜也被表征为FAOR的有效催化剂。高性能的双功能催化剂使组装的LCOB水基LCOB具有2.61V的高放电电位平台和2.87V的低充电电位，过电位低至0.26V，能量效率高达91%。电池的循环性能稳定在300h以上，充电电位保持在2.99V以下。目前的研究表明，一种全新的水基LCOB具有高工作电位和很好的循环稳定性，有望用于发展碳汇和储能技术。（文：SSC）
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