随着工业化进程的不断推进，煤、石油、天然气等化石能源被过度消耗。尽管当前各国积极推行和发展清洁能源，但化石能源在全球能源供给的主导地位仍旧无法动摇。这种对传统能源的过渡依赖和使用不仅引发了一系列能源危机，其产生的CO₂也打破了自然碳循环的平衡，严重威胁着生态安全。对此，世界主要经济体积极通过多项行政、经济手段和方法，逐步加强对碳排放的控制。2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出了我国的“双碳”目标：即在2030年前CO₂排放达到峰值，2060年前实现碳中和。“双碳”战略意义深远，其不仅体现了我国对实现人类可持续发展的大国担当，也为科研工作的发展指明了方向。

4166am金沙信心之选丁书江教授团队主要从事无机纳米材料，高分子/无机物纳米复合材料的设计，制备及其在电化学储能、电催化、传感器等方面的应用基础研究。在“双碳”目标的指导下，丁书江教授将自己的研究课题与CO₂的转化利用充分结合，开展了电催化CO₂还原和Li-CO₂电池高效催化剂的设计合成及其催化机理的研究。

（一） 电催化CO₂还原研究进展

通过电化学驱动CO₂还原（CO2RR），将其转化为环保、清洁的碳氢燃料或化学品是实现碳资源升级及其可持续利用的重要途经。在CO₂还原产物中，甲酸作为一种安全方便的液体燃料，不仅是工业反应中的重要中间体，还被广泛应用在氢能源存储和甲酸燃料电池等领域。相比于乙烯、乙醇、丙醇等高附加值多碳产品，利用电化学CO₂还原技术生产甲酸等小分子化学产品是目前最具经济可行性的方案。研究表明Pb、In、Pd、Sn和Bi这几种金属电极对甲酸的生成具有较高的选择性。然而，Pb和In具有金属毒性，而Pd成本又非常高，这对他们的大规模应用都不利。因此，综合效能，环境影响及成本等因素，丁书江团队将电催化CO2RR催化剂的开发主要聚焦于Sn基和Bi基催化剂的设计和制备。

基于对金属氧化物异质界面的充分理解，提出了新的调整金属氧化物表面微结构与电子结构的有效策略，并设计制备Zn₂SnO₄/SnO₂纳米立方体材料，保证了电催化剂电子/离子的高效传输，同时通过调节催化剂表面的电子结构稳定了所吸附的关键中间物种，最终实现了高性能电催化CO₂还原催化剂的制备（在24h内有77%稳定的甲酸法拉第效率），拓展了调控CO₂电催化还原性能的新途径。相关工作以《Band alignment in Zn₂SnO₄/SnO₂ heterostructure enabling efficient CO₂ electrochemical reduction》为题发表在国际知名期刊《Nano Energy》上，4166am金沙信心之选博士生王珂为本文第一作者。

Zn₂SnO₄/SnO₂异质结能带作用增强催化CO₂还原制甲酸

此外，该团队通过部分沉淀转化法制备富缺陷（氧空位、晶格畸变等）硫化铋（Bi₂S₃）/氧化铋（Bi₂O₃）异质催化界面的Bi₂S₃-Bi₂O₃铋基复合材料，其表现出优良的CO2RR催化活性，生成甲酸法拉第效率达90%以上，相应的过电势低至700 mV，并具有24h的工作稳定性。结合电化学实验、材料表征及密度泛函理论计算，表明Bi₂S₃-Bi₂O₃异质界面的电子效应显著减弱了HCOO*中间体在活性位点上的键合，促进了甲酸的产生。相关工作以《Partial sulfuration-induced defect and interface tailoring on bismuth oxide for promoting electrocatalytic CO₂ reduction》为题发表在国际知名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上，4166am金沙信心之选硕士生杨旭潇为本文第一作者。

富缺陷硫化铋/氧化铋异质结构促进CO2RR产甲酸

（二） Li-CO₂电池研究进展

Li-CO₂电池以CO₂作为能源载体，兼具CO₂转化利用和能量存储的特点，且电池能量密度高达1876 Wh kg^-1，具有良好的应用前景，近年来引起了科研工作者的广泛关注。然而，由于反应气体CO₂和放电产物Li₂CO₃均为热力学稳定化合物，且Li₂CO₃是一种宽带隙的绝缘固体，这导致Li-CO₂电池在循环过程中CO₂还原和析出反应（CRR和CER）动力学缓慢，严重限制了Li-CO₂电池的电化学性能和实际应用价值。此外，相关催化机理也很欠缺，Li-CO₂电池充放电过程中CRR和CER的活性位点不明晰，因此，该团队从正极催化剂设计出发，旨在通过对催化剂构效关系的探究为高效Li-CO₂电池正极催化剂的设计提供理论指导。

针对当前Li-CO₂电池CRR和CER过程动力学缓慢，电池极化严重且循环性能差的问题，该团队设计合成了海胆状Mn₂O₃-Mn₃O₄纳米复合材料，通过实验设计和密度泛函理论计算明确了Mn₂O₃-Mn₃O₄在Li-CO₂充放电过程中的活性位点。结果表明，受益于两相界面协同催化，Mn₂O₃-Mn₃O₄基Li-CO₂电池极化和循环性能得到了明显改善（过电位降至1.24V，循环长达1380h）。相关工作以《Understanding the Dual-Phase Synergy Mechanism in Mn₂O₃-Mn₃O₄ Catalyst for Efficient Li-CO₂ Batteries》为题发表在国际知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，4166am金沙信心之选博士生刘理民为本文第一作者。

海胆状Mn2O3-Mn3O4纳米复合材料用于Li-CO₂电池正极

该团队在Mn₂O₃-Mn₃O₄纳米复合正极催化剂的研发过程中发现，纳米粉体催化剂普遍存在导电性差的问题，致使在电极制备过程中不仅需要引入粘结剂，还需要引入大量的导电碳，这无疑对催化机理的研究造成了额为的干扰。此外，纳米粉体催化剂虽然具备优异的催化活性，但受限于负载量，其面容量远达不到实际应用的需求。基于此，该团队开展了Li-CO₂电池三维自支撑一体化正极的探索工作。

近期，该团队采用密度泛函理论（DFT）揭示了钌/碳复合催化剂与CRR和CER催化过程的构效关系。结果表明，相比于钌和碳位点，钌/碳界面（Ru/C）表现出更有利的电子结构，可以显著降低CRR和CER过程关键中间体的反应势垒。基于此，作者设计合成了一种具有丰富Ru/C界面的三维自支撑纤维素负载钌碳气凝胶（Ru@CCA）,并将其成功应用于Li-CO₂电池。得益于Ru/C界面优异的催化活性、CCA快的电荷、反应物传输速度及其广阔的产物沉积空间，Ru@CCA基Li-CO₂电池能量效率高达80%、放电面容量达10.71 mAh cm^-2、在100 μA cm^-2电流密度下循环寿命长达421圈。同时，为了进一步证明金属/碳界面在改善CRR和CER反应动力学的普适性，作者又合成了一系列纤维素负载过渡金属/碳（Fe/C，Co/C，Ni/C）气凝胶，并将其应用于Li-CO₂电池。结果表明，这些过渡金属/碳界面也可以显著提升Li-CO₂电池的电化学性能。此外，作为概念验证实验，作者组装了Ru@CCA基柔性Li-CO₂电池。实验结果表明，得益于CCA优异的机械性能，CCA基Li-CO₂电池在柔性可穿戴器件中表现出巨大的应用潜力。相关工作以《Rational Design of Nanostructured Metal/C Interface in 3D Self-supporting Cellulose Carbon Aerogel Facilitating High-Performance Li-CO₂ Batteries.》为题发表在国际知名期刊《Advanced Energy Materials》上，4166am金沙信心之选博士生刘理民为本文第一作者。

通过在三维自支撑纤维素碳气凝胶表面合理构筑金属/碳界面实现高性能Li-CO₂电池

上述成果均以西安交通大学4166am金沙信心之选为第一单位，论文表征及测试得到西安交通大学分析测试共享中心和4166am金沙信心之选分析测试中心的支持。研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省杰出青年基金、西安交通大学青年拔尖人才计划等资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.103954

https://doi.org/10.1039/C9TA11363K

https://doi.org/10.1021/acsami.0c09644

https://doi.org/10.1002/aenm.202103681

审核人：丁书江