然而，當前鋰-二氧化碳電池的實際應用還面臨多重挑戰(zhàn)，包括高過電位、循環(huán)穩(wěn)定性差、倍率性能不足以及由于放電產物Li2CO3寬帶隙特性導致的有限放電容量，CO2反應動力學遲緩進一步加劇了這些問題，因此開發(fā)高效正極催化劑勢在必行。合理的催化劑設計可加速CO2轉化動力學、降低過電位、提高能量轉換效率并增強循環(huán)穩(wěn)定性，從而推動Li-CO2電池的實用化。
 

　　針對上述難題，西安交通大學何雅玲院士、郗凱教授團隊攜手吉林大學徐吉靜教授提出了一種基于d-p軌道雜化調控的新型催化設計策略。通過調控過渡金屬與硫族元素間的電子耦合，顯著優(yōu)化Li-CO2電池氧化還原反應動力學。研究以錳基硫族化物(MnX, X=O, S, Se)為模型體系，結合密度泛函理論(DFT)計算與實驗驗證，系統(tǒng)揭示了陰離子化學對電子結構及催化性能的影響規(guī)律。結果發(fā)現(xiàn)，Mn與S之間的d-p軌道雜化作用最強，可有效提升金屬中心電子密度，降低CO2活化與Li2CO3分解能壘，從而顯著加速反應動力學。這種催化策略使Li-CO2電池在100 mA·g?¹電流密度下實現(xiàn)了高達19782 mAh·g?¹的優(yōu)異放電容量，并在500 mA·g?¹條件下展現(xiàn)出超過430圈的出色循環(huán)穩(wěn)定性。
 

　　這項研究不僅提出了基于d-p軌道雜化調控的催化策略，有效加速了Li-CO2電池中CO2和Li2CO3的氧化還原反應動力學，也為其他金屬-二氧化碳電池的催化材料設計提供了重要思路。研究成果以《通過d-p軌道雜化調控提升Li-CO2電池氧化還原反應動力學》(“d-p Orbital Hybridization Tailoring for Boosted Redox Kinetics in Li-CO2 Batteries”)為題發(fā)表于《先進功能材料》(Advanced Funtional Materials)上。
 

　　西安交通大學碩士生李佳甜，博士生劉理民為本文共同第一作者。參與本工作的還有西安交通大學丁書江、馮國棟、陳圣華、唐俊馬和曾令有教授，劍橋大學Vasant Kumar教授，中山大學張云蔚副教授等。該工作得到了國家自然科學基金、陜西省秦創(chuàng)原創(chuàng)新人才計劃等項目資助。論文表征分析得到了西安交通大學國家儲能技術產教融合創(chuàng)新平臺和西安交通大學分析測試共享中心的支持。