城大化学家利用具有非常规晶相的纳米结构催化剂提升环保电池效能
金属-二氧化碳（Metal-CO2）电池是一种充满前景的环保技术，但其能源效率有限。最近，一支由香港城市大学（城大）化学家共同领导的研究团队发现了一种创新的方法，通过引入“非常规晶相”的纳米材料作为催化剂，提高金属气体电池的能源效率至83.8%，克服了旧式电池能源效益不足的难题。该研究揭示了新一代金属-气体电池的催化剂的新颖设计，为促进碳中和作出贡献。
金属-二氧化碳电池可以为电子产品提供持久的电力，且具有高能量密度。它能够实现二氧化碳固定（CO2 fixation），而不需要从外部电路消耗额外的能量，即可将二氧化碳这种温室气体转化为增值产品（图1）。其中锂-二氧化碳电池获看好，因它具有很高的理论能量密度（1,876Wh kg-1），极有潜质应用于下一代的高性能能源转换和储存技术。
然而，金属-二氧化碳电池仍然存在反应动力学迟缓的问题。它存在巨大的“过电位”（over potential），即是若要电池顺利运作，需要远比理论值高得多的电压或能量，才能驱动电池的氧化-还原反应。这缺点导致金属-二氧化碳电池能源效率低、可逆性差，而且充电循环稳定性相当有限。
传统催化剂改良策略的技术障碍
负责领导这次研究的其中一名学者、城大化学系助理教授范战西博士说：“以往的研究人员普遍认为，复合阴极催化剂内的金属基材料的形态、尺寸、成分和分布，是导致电池性能差异的主要因素。”他续说，“但我们发现，若制备具有非常规相的新型催化剂，也可以是提高金属气体电池能源效率和性能的可行且有前景的策略，尤其是当传统的催化剂改良策略一直遇到长期的技术障碍。”
范博士和他的团队此前对金属基纳米材料晶相（crystal phase）的精确调控，积累了丰富经验和知识，使他们能够选择合适的元素来构建其“非常规相”，然后进一步研究催化剂的晶相对某种非质子型（不涉及氢离子）金属-气体电化学的反应动力学的影响。“然而，这绝不意味着上述的实验容易进行，因为它牵涉到在有机环境下，对阴极催化剂的双功能性的严格要求。”范博士解释说。
该研究团队通过控制铱（Ir）在金（Au）模板上的生长动力学，合成了具有非常规的“4H/面心立方（face-centred cubic, fcc）”异相铱纳米结构（图2）。他们的实验结果显示，若与其他的金属基催化剂相比，这种“4H/fcc”异相催化剂在非质子型锂-二氧化碳（Li-CO2）电池的循环过程中，展现了一个较低的充电电压平台（低于3.61V）（图3）和更高的能源效率，高达83.8%。故相对于其他金属基催化剂最少需要约3.8V的充电电位以及仅得70%至75%的能源效率，新发明的非常规相纳米结构催化剂更为优异。
非常规相金属纳米材料的突出性能
该团队结合了实验和理论计算的结果，发现通过“相工程”（phase engineering）制成的4H/fcc铱纳米结构，更有利可逆转的非晶/低晶放电产物的形成（图4），从而降低“过电位”，促进了电化学氧化还原反应的循环稳定性。非常规相的“4H/fcc铱纳米结构”比普通的“fcc铱”表现出更优越的性能。若与以往所有曾被研究发表的金属基催化剂相比，这种新发明的纳米结构催化剂在非质子型的Li-CO2电池中展现了更出色的充电电位和能源效率。
“今次研究揭示了相工程在金属-气体电化学催化剂的巨大潜力。它为如何设计催化剂以开发可持续发展的电化学能源转换和储存系统，开辟了一个新的研究方向。”范博士总结道。
今次的研究成果最近已发表于科学杂志《美国国家科学院院刊》（PNAS）之上，标题为“Boosting the reaction kinetics in aprotic lithium-carbon dioxide batteries with unconventional phase metal nanomaterials”。
论文的第一作者是城大周静雯先生和廖玲文博士、香港科技大学王天帅博士和中国工程物理研究院（CAEP）陈林先生。通讯作者包括城大范战西博士、香港科技大学赵天寿教授、中国科学院物理研究所谷林教授和中国工程物理研究院程建丽教授。参与这次研究的其他城大学者包括理学院院长兼材料化学讲座教授李振声教授、化学系的陈博博士和官志强博士，以及该学系多名博士生。研究项目的主要经费来源包括国家自然科学基金委员会（NSFC）、香港创新科技署（ITC）、国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心（NPMM）和香港城大。
本文于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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