近日，广西大学尹诗斌教授团队在国际知名期刊《Chinese Journal of Structural Chemistry》发表了题为“Te-doped Fe₃O₄ flower enables low overpotential cycling of Li−CO₂ batteries at high current density”的研究论文（DOI: 10.1016/j.cjsc.2024.100253）。

能源是人类社会生存和发展的基石，传统化石能源的使用所引发的环境问题已经愈发凸显。化石燃料是CO₂等温室气体排放、导致气候变化的主要原因，减少CO₂排放、捕获CO₂回收利用对于实现“双碳”战略目标意义重大。Li−CO₂电池兼具CO₂捕获利用和高能量密度(1876 Wh kg⁻¹)的优点，在减碳的同时也有望作为高能量密度的储能电源，因而备受关注。然而，Li−CO₂电池放电产物为Li₂CO₃，其导电性差，热力学稳定性高，电池充电过电位很高，能量效率低下，高电位同时还会引发电解液与正极的降解，造成循环寿命的大幅衰减。因此，通过正极催化剂的合理设计降低放电产物的分解难度至关重要。

本文采用溶剂热法和煅烧法制备了Te掺杂的Fe₃O₄花状微球（Te-Fe₃O₄），作为Li−CO₂电池的正极催化剂。Te-Fe₃O₄可以有效抑制放电中间体C₂O₄²⁻的歧化反应，使易分解的Li₂C₂O₄作为最终的放电产物沉积在正极表面，从而降低过电位，提高能量效率。因此，以Te-Fe₃O₄作为正极Li−CO₂电池在2000 mA g⁻¹的大电流密度下仍具有9485 mAh g⁻¹的高放电容量，在截止容量1000 mAh g⁻¹的条件下能稳定进行155次循环，循环能量效率约为80%。这项工作为优化Li−CO₂电池的放电产物提供了一种可行的方法，有望促进Li−CO₂电池的实际应用。

该研究成果以广西大学化学化工学院为通讯单位，尹诗斌教授为通讯作者，2021级硕士研究生余虎翼为第一作者。该工作得到国家自然科学基金、广西自然科学基金重点项目和广西研究生创新项目的资助和支持。

图1. (a) Te-Fe₃O₄的合成示意图；(b) Te-Fe₃O₄的SEM、(c) TEM、(d) HRTEM和 (e) 伪彩色图像；(f-i) Te-Fe₃O₄的HAADF和EDS图像。

图2. (a) Rietveld精修的XRD图谱；(b) XPS全谱；(c) Fe 2p和 (d) Te 3d的XPS精细谱。

图3. (a) CV曲线；(b) EIS；(c) 倍率性能；(d, e) 完全放电的比容量曲线；(f) 循环首圈的电压-比容量曲线；(g) 循环充放电曲线；(h) 两个扣式电池点亮LED灯的照片。

图4. (a) 循环过程中Te-Fe₃O₄的EIS变化；(b) 添加充放电后正极的KMnO₄溶液颜色变化的照片；(c) Te-Fe₃O₄正极在不同状态下的非原位拉曼光谱；(d) 放电后Te-Fe₃O₄正极的C1s XPS精细谱；(e) 放电和再充电的Te-Fe₃O₄正极的XRD图谱。

图5. (a) Te 3d的XPS精细谱；(b)Fe 2p的XPS精细谱；(c)放电/充电反应示意图。