化石燃料的过度燃烧导致了大气中二氧化碳（CO2）浓度不断增加，导致全球变暖和相关不利的气候变化。一种有效的解决方案是通过化学或电化学方法将CO2转化为增值的化学原料和能源。因此，可充电型金属CO2电池成为一种极具潜力的CO2固定、能量转换和存储技术。
在三种常见的碱土金属-CO2电池体系中，锂材料的高成本和稀缺性（地壳中的储存量仅为0.0017 wt.％）严重限制了Li-CO2电池的可持续性大规模应用。Na-CO2电池由于形成Na2CO3的吉布斯自由能比形成K2CO3所需的吉布斯自由能要高，导致Na-CO2电池的放电电势（2.35 V）低于K-CO2电池的放电电势（2.48 V），从而限制了Na-CO2电池的能量密度。此外，与Li+（4.8 Å）和Na+（4.6 Å）相比，K+在碳酸亚丙酯（PC）溶剂中具有最小的斯托克斯半径（3.6 Å），因而最高的离子迁移率和离子电导率。因此，研发K-CO2电池具有多项优势。
不同于已被广泛报道的Li-CO2或Na-CO2，迄今为止尚未实现K-CO2电池的实验组装。在很大程度上，这是由于缺乏可用于K-CO2电池相关的放电（和充电）反应高效的双功能催化剂，因此成功构建有效的K-CO2电池去评估其电化学性能仍然是一个巨大的挑战。
图1. K-CO2电池原理和无金属碳材料电催化剂示意图
在另一方面，杂原子掺杂的多功能无金属碳电催化剂已被广泛用于能量存储和转化。特别地，三维（3D）杂原子掺杂碳网络已被证明是出色的无金属电催化剂，因为它们具有大的表面积可最大化地暴露活性位点，其多孔三维导电路径可同时有助于电子和离子的有效传输。
近日，美国凯斯西储大学的戴黎明教授、澳大利亚伍伦贡大学的郭再萍教授团队基于先前对三维碳电催化剂的研究，开发了一种简易的方法来获得具有三维网络结构的氮掺杂的碳纳米管和还原氧化石墨烯复合物（N-CNT / RGO）的电催化剂。他们将此电催化剂用于构造和开发K-CO2电池，N-CNT不仅可以有效地防止RGO纳米片的重新堆叠，因而不仅最大化地暴露了氮掺杂的活性位点，还提供了机械性能稳定的多孔结构，同时该结构具有良好的三维导电路径，可进行有效的电子/电解质/CO2气体传输，并具有足够的比表面积可有效容纳放电产物K2CO3。此种K-CO2可充电电池在500 mA h g-1和300 mA h g-1的有限比容量下可分别达到40和250个循环（长达1500 h）。同时基于密度泛函理论（DFT）计算和实验观察的反应机理研究揭示了P121/c1型K2CO3的形成和分解，表明了K-CO2电池具有良好的可逆性。
图2. K-CO2电池的电化学性能
相关结果发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是澳大利亚伍伦贡大学副研究员张文超。
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High-performance K-CO2 batteries based on metal-free bifunctional carbon electrocatalysts
Wenchao Zhang, Chuangang Hu, Zaiping Guo, Liming Dai
Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201913687
（本稿件来自Wiley）
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