Pseudo-zero-gap flow-type aqueous Zn-CO2 batteries
现代工业对化石燃料的快速消耗导致了严重的全球温室效应、有限的能源储备等问题。 为缓解这些环境和能源危机，二氧化碳电池可能是一种很有前景的技术，因为它能将二氧化碳转化为有价值的化学品/燃料，并同时发电。 此外，由于火星大气中二氧化碳浓度高（95.3%的二氧化碳、2.7%的氮气、1.6%的氩气等），利用其自身资源，二氧化碳电池或许还能为火星探索提供碳基原料和电能。在各种二氧化碳电池中，水系锌-二氧化碳电池（AZCBs）因其成本低、环境友好、可再生、安全等优点而脱颖而出。特别是锌金属能够耐受反应性水系电解质，在电池放电过程中通过电化学二氧化碳还原反应（eCO2RR）生成高附加值的碳产品。 然而，AZCBs 的广泛应用仍受到一些瓶颈问题的限制，如放电电位和电流密度低、功率密度小、能量效率低等，这制约了其广泛应用。
近日，来自南京理工大学李强、段静静团队在《Advanced Energy Materials》发表了一篇题为《Pseudo-zero-gap flow-type aqueous Zn-CO2 batteries》的文章。该文章展示了一种准零电极间距的新型电池结构，实现了水系Zn-CO2 电池功率密破纪录的提高。研究通过开发了具有流动二氧化碳气体和电解质、气体扩散阴极，尤其是电极间距离近乎为零的 Zn-CO2 电池（图1）。在准零间隙的 Zn-CO2 电池中使用碳包覆的氧化铋（Bi2O3/C）作为阴极，放电时获得了117.5 mA cm-2的电流密度和 67.0 mW cm−2的峰值功率密度，并可稳定循环600 次。
通过移除阴极电解液室并仅用玻璃纤维分割气体扩散电极型阴极和锌阳极，二氧化碳腔室面向阴极气体扩散层，电解质面向锌板背面，从而减少电极间距、缓解电解质溢出和碳酸盐沉淀等问题。该设计可缩短离子传输距离，最大限度地降低体系电阻，同时具有优异的二氧化碳传输能力，从而实现破纪录的峰值功率密度：67.0 mW cm−2。
结合多物理场仿真研究了电池优越性能的起因。首先建立了一个具有不同阳极与阴极电解液腔体尺寸的完整水系Zn–CO₂ 电池模型，并在稳态条件下采用二维有限元方法模拟。通过改变电池阴阳两极之间距离进行对比分析，深入探究了气相、溶解相CO2、Zn2+及OH-离子的浓度梯度分布。发现电池的准零间距利于关键离子OH-的快速穿梭、增大阴极反应界面的二氧化碳浓度梯度、促进阴极二氧化碳还原反应等从而提高电池放电电流密度和峰值功率。
要点二：阴极催化剂设计及电催化二氧化碳还原机理分析
利用Bi-HHTP MOF前驱体高温煅烧，MOF 中的有机配体逐渐发生碳化反应，部分分解形成碳并在原有框架骨架沉积，从而形成碳包覆的 Bi2O3@C纳米颗粒，依然保留了前驱体的整体棒状外观轮廓。碳层的存在不仅在结构上起到“支撑与包覆”的作用，还能有效提升电子传导路径，降低界面电阻，为后续电化学反应提供快速电子通道。
通过密度泛函计算深入研究Bi2O3@C催化剂在电催化二氧化碳还原反应（eCO2RR）中的反应机制。具体来说，Bi2O3@C催化剂首先与CO2中的O吸附，形成*O@Bi后经过第一步质子耦合的电子转移过程生成*OCHO中间体，再经第二步质子耦合的电子转移过程生成HCOOH。与生成CO的路径（*C@Bi）相比，HCOOH生成路径中的第一步质子耦合的电子转移步骤同样是决速步骤，但能垒更低，从而表现出更高的HCOOH选择性。
准零间隙二氧化碳电池进一步在模拟火星大气环境（95.0% 的二氧化碳和 5.0% 的氮气）中进行了测试，以探索其在火星探索中的潜力。火星气氛中，准零间隙电池的开路电压（OCP）和峰值功率密度分别为1.38 V，66.4 mW cm−2，接近纯二氧化碳环境下的 1.48 V和67.0 mW cm−2。为进一步验证其应用，将三个准零间隙 AZCB 组装成串联堆叠结构点亮灯泡，在类火星气氛中表现出持久且稳定的亮度，为未来火星探索提供了生成碳基原料和电能的可能方案。
Pseudo-Zero-Gap Flow-Type Aqueous Zn-CO2 Batteries
https://doi.org/10.1002/aenm.70835
段静静：南京理工大学能源与动力工程学院教授，博导，国家级高层次青年人才，江苏省双创人才。博士毕业于澳大利亚阿德莱德大学获得博士学位，导师为乔世璋教授，先后在澳大利亚新南威尔士大学（赵川教授）、美国德州大学奥斯汀分校电化学中心（Allen J. Bard 教授）、 澳大利亚阿德莱德大学（乔世璋教授）课题组从事博士后研究。长期从事电催化、能源转换和存储相关研究，在国际顶级期刊发表论文100 余篇，包括 Nat. Commun.、PNAS、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci. 等，引用1.2万余次，H因子47。曾获多项奖励，包括“爱思唯尔中国高被引科学家”、JMCA 新锐科学家、阿德莱德大学优秀校友奖等。现担任Exploration 期刊副主编，Materials Today Energy、Next Energy、EcoMat、EcoEnergy 和 Carbon Engineering Science等期刊青年编委。
李强，南京理工大学能源与动力工程学院教授，博导，国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”领军人才，教育部长江学者特聘教授，南京理工大学副校长，电子设备热控制工信部重点实验室主任。长期从事电子设备热管理、能量传递/转化/储存/利用、传热传质及强化等方面的教学与科研工作。主持多个国家级重大、重点项目。发表SCI论文100余篇，合作出版专著2部，授权发明专利63项。作为主要完成人获国家自然科学二等奖、国家科技进步二等奖等。享受国务院政府特殊津贴，同时获第十一届霍英东青年教师基金和青年教师奖。兼任中国工程热物理学会副秘书长，江苏省工程热物理学会副理事长，Carbon Neutrality、Energy Storage Saving、中国科学：技术科学、科学通报等杂志编委。
李炜良：南京理工大学在读硕士生，研究方向为水系Zn-CO2电池设计与优化。
该课题组长期致力于能源、电催化相关技术研究。研究团队由教授、博士后和研究生组成，注重理论与实验相结合，积极推动科研成果的产业化应用。
本课题组招聘数值模拟、器件设计、材料学等相关方向博士、博士后等，期待对能源电催化技术感兴趣的青年才俊加入，共同推动前沿科研工作欢迎联系（jingjing.duan@njust.edu.cn）。
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