Energ. Environ. Sci.：用于Li-CO2電池中高性能CO2電極的錳金屬-有機框架

【引言】

電化學儲能（EES）技術在推動現代社會發揮重要作用。在各種EES技術中，金屬-空氣電池在高體積、重量、能量密度方面具有前景。在飛機，航天飛機，潛艇等密閉空間內，迫切需要高能量密度的便攜式電池。在這種情況下，金屬空氣尤其是鋰空氣電池是非常有前景的。提高Li-CO₂電化學的可逆性和能量效率將有助于開發存在CO₂時提供穩定電源的實用鋰空氣電池。然而，大多數現有的電極難以有效（高放電容量）和高效（低電荷電位）地轉換CO₂。

【成果簡介】

近日，北京理工大學王博、周俊文（共同通訊）團隊首次發現金屬-有機框架（MOFs）作為利用它們的高捕獲能力和Li₂CO₃分解的單分散活性金屬位點CO₂電極中的多孔催化劑的潛力。具體地工作是對八種多孔MOFs，Mn₂（dobdc），Co₂（dobdc），Ni₂（dobdc），Mn（bdc），Fe（bdc），Cu（bdc），Mn（C₂H₂N₃）₂，Mn（HCOO）₂和兩種無孔材料MnCO₃和MnO進行了研究。其中，Mn₂（dobdc）在50 mA g^-1下達到18022 mA hg^-1的顯著放電容量，而Mn（HCOO）₂即使在超過50次循環200 mA g^-1下也能保持?4.0 V的低電荷電位。利用一系列表征技術，包括X射線衍射，掃描電子顯微鏡，電化學阻抗譜，拉曼光譜和原位差示電化學質譜，研究了MOFs電極上的Li-CO₂電化學行為。相關成果以題為“Carbon Dioxide in the Cage: Manganese Metal-Organic Frameworks for High Performance CO2 Electrodes in Li-CO₂ Batteries”發表在了Energy & Environmental Science上。

【圖文導讀】

圖1 配備MOF基CO₂電極的Li-CO₂電池的示意圖

圖2 晶體結構及電壓曲線

（a）MnCO₃，Mn（HCOO）₂和Mn₂（dobdc）沿一定方向的晶體結構

（b）在298K下的CO₂吸附等溫線

（c）在50mA g^-1下截止電壓為2.0V的Mn₂（dobdc），Mn（HCOO）₂，MnCO₃和CNT的放電電壓曲線

圖3 循環性能

（a）不同電流密度下不同CO₂電極的平均充電電位

（b）在200mA g^-1下Mn（HCOO）₂電極的放電-充電循環性能

（c）Mn₂（dobdc）和Mn（HCOO）₂的吸附等溫吸熱量（Qst）隨CO₂吸收量的變化

圖4 拉曼光譜

（a,b）（a）Ni泡沫和（b）Mn₂（dobdc）@Ni在放電之前和之后的拉曼光譜

【小結】

雖然這里介紹的系統是初步的，但它們為改善Li-CO₂電化學的可逆性和能量效率提供了有用的設計原則。這些工作將預示實用技術的出現，并實現EES中CO₂的高能效利用。

文獻鏈接：Carbon Dioxide in the Cage: Manganese Metal-Organic Frameworks for High Performance CO₂ Electrodes in Li-CO₂ Batteries（Energ. Environ. Sci.,2018,DOI:?10.1039/C8EE00415C）

本文由材料人新能源組Allen供稿，材料牛整理編輯。

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