二氧化碳捕获与利用（CCU）在二氧化碳减排，减缓全球变暖，以及潜在的未来火星探索等领域正受到越来越多的关注。目前已开发了多种可将二氧化碳转化为增值化学品的CCU技术，如甲烷干重整，加氢，电化学还原，光催化还原等。近年来，一种锂-二氧化碳电池储能装置被提出，它提供了一种利用二氧化碳产生电能的新颖策略。锂-二氧化碳电池作为一种新型电池体系可以有效利用温室气体并提供高比能量的电能，而获得日益广泛的关注。然而，目前该电池的工作电压常低于 2.5 V，甚至在有些报道中低于2.0 V。此外，该电池常见的放电产物碳酸锂具有显著的电化学惰性，它的阳极分解过程会引发大量副反应，这进一步降低电池的效率和循环稳定性。尽管目前报道的固相催化剂可以在一定程度上降低电池充电电压，但对放电电压的提升效果不佳。为有效提高锂-二氧化碳电池输出电压，使得该新体系电池满足高品质电能的要求，南京大学现代工学院何平教授与周豪慎教授在前期二氧化碳电化学还原和析出机理探索和锂氧气电池液相催化剂研究的基础上，首次提出了一种锂-二氧化碳电池使用的双核铜配合物(Cu(Ⅰ) RM)液相催化剂，在探明催化机制及调控放电/充电反应路径后，成功实现了锂-二氧化碳电池3 V以上的工作电压。

图1 固相催化剂与液相催化剂媒介的锂-二氧化碳电池放电反应路径比较

含有Cu(Ⅰ) RM液相催化剂的锂-二氧化碳电池电动势高达3.38 V，电化学和光谱学研究表明Cu(Ⅰ) RM参与的锂-二氧化碳电池反应机理为：首先，Cu(Ⅰ) RM捕获二氧化碳形成Cu(Ⅱ)-草酸根桥联加合物；接下来，该加合物在放电过程中被还原至初始Cu(Ⅰ) RM并析出草酸锂产物；最后，放电产物草酸锂在充电时被分解。在Cu(Ⅰ) RM的作用下，该锂-二氧化碳电池放电平台升至3.04 V，放电容量达到5846 mAh g−1，充电电压降至4.27 V，可稳定循环80圈以上。为进一步降低充电极化，在正极中引入金属Ru催化剂，得益于Cu(Ⅰ) RM和金属Ru的协同催化作用，该电池放电电压达到3.01 V，放电容量提升至8058 mAh g−1，充电电压降至3.99 V，且可稳定循环400圈。该工作将锂-二氧化碳电池输出电压提升至3 V以上，并实现了无碳酸锂产物生成的放电路径，提升锂-二氧化碳电池性能及实用化的可能性。

图2 Cu(Ⅰ) RM液相催化剂和Ru@Super P固相催化剂对锂-二氧化碳电池的协同催化作用


相关工作以“Binuclear Cu complex catalysis enabling Li–CO2 battery with a high discharge voltage above 3.0 V”为题，于2023年2月1日在《Nature Communications》(https://doi.org/10.1038/s41467-023-36276-8)上在线发表。南京大学现代工学院何平教授与周豪慎教授为论文通讯作者，该院2019级博士研究生孙心怡和博士后穆晓玮为该论文的共同第一作者。该研究工作还得到了南京大学化学化工学院李承辉教授团队的大力支持和帮助。以上研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、江苏省自然科学基金、江苏省重点研发计划、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金、中国博士后科学基金等项目的资助，同时也得到了固体微结构物理国家重点实验室、配位化学国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室和南京大学储能材料与技术中心等单位的支持。