可充电式Li-CO2电池正极催化剂的设计及其机理的研究

How to combine the reduction of "greenhouse effect" with the energy storage system is the demand of social and economic development, and the rechargeable non-aqueous Li-CO2 batteries could skillfully realize it. In this proposal, we aim to deeply investigate the reversible evolution of CO2 involved in the cathode catalysts of Li-CO2 batteries, and explore the electrocatalytic mechanisms about the reduction and evolution reactions of CO2 and the existence of Li2CO3 and C. In addition, it is necessary to design the highly-dispersed catalysts based on graphene carbon nanomaterials with transition metals or transition metal oxide nanoparticles, which could reduce the overpotential and increase cyclic stability of Li-CO2 batteries. So as to realize the application of CO2 to energy storage devices, and provide a new strategy for the recycle and reuse of the greenhouse gas CO2.

如何将降低“温室效应”与储能体系结合起来是社会和经济发展的需求，而可充电式的非水系Li-CO2电池则可以将两者进行巧妙的结合。本申请通过深入研究Li-CO2电池正极催化剂，并对可充电式Li-CO2电池中CO2可逆析出进行验证，进一步探索CO2还原和析出反应的电催化机理以及放电产物Li2CO3和C的存在形式。设计基于石墨烯等碳纳米材料与过渡金属或其氧化物纳米颗粒的高分散型复合催化剂，降低Li-CO2电池的过电压并且提高它的循环稳定性。实现将CO2用作储能体系的目的，为温室气体CO2的利用和回收提供了新思路。

近年来随着化石燃料的不断开采与使用，带来化石燃料储量的急剧减少以及CO2排放量增高的严重后果。如何将能量存储与转化和减少CO2排放结合起来，将会带来双赢的效果。Li-CO2电池不仅可以减少化石燃料的消耗，而且在减弱“温室效应”方面具有巨大的前景。通过简单易行的凝胶膜合成法制备了一种Ni纳米颗粒高分散在氮掺杂石墨烯的复合材料（Ni-NG）。用它作为Li-CO2电池的空气电极，表现出了非常高的电化学活性，尤其是循环稳定性得到明显改善，可以连续充放电100次以上。用差分电化学质谱（DEMS）等测试手段验证了Li-CO2电池的可逆性以及碳膜的形成。然而，单金属纳米颗粒在Li-CO2电池中并不稳定，经过长时间的循环，颗粒不仅会掉落，而且表面会生成很明显的氧化层。氧化层的存在可以稳定正极催化剂，防止超氧根的攻击，促进Li-CO2电池的稳定性。进一步通过设计Ru-Cu双金属纳米粒子高分散在石墨烯上的复合材料（Ru-Cu-G）作为Li-CO2电池的空气电极。此空气电极可在截止容量为1000mAh g-1，电流密度在400 mA g-1的条件下稳定循环100周，展现出超低的过电压和极好的循环能力，此项工作为后续的Li-CO2电池以及金属空气电池的空气电极设计有一定的启蒙意义。在Li-CO2电池的研究基础上，我们继续研究了Li-N2电池，石墨烯可为其提供稳定的循环性能，实现电化学固氮。