【论文链接】
https://doi.org/10.1002/aenm.70835
【作者单位】
南京理工大学
【论文摘要】
水系锌-二氧化碳电池（AZCBs）能够同时发电并将CO₂转化为有价值的产品，但其发展受到传质差、反应活性低等问题的限制。本文开发了具有流动CO₂气体和电解液、气体扩散阴极，特别是准零极间距特征的AZCBs。通过在准零间隙AZCB中采用碳包覆氧化铋（Bi₂O₃/C）作为阴极，实现了创纪录的峰值功率密度67.0 mW cm⁻²（电流密度为117.5 mA cm⁻²），并展现出超过600次循环的优异循环性能。具体而言，近零极间距通过在CO₂电还原反应界面建立增强的浓度梯度，显著促进了氢氧根离子传输和CO₂扩散。理论模拟进一步表明，由于通过*OCHO中间体在铋位点上的有利*O吸附，甲酸产物的优先生成源于其相比CO路径更低的能垒。这项工作所开发的AZCBs在模拟火星大气中能够高效稳定运行，对未来人类火星探索具有广阔前景，为同时实现能源供应和CO₂资源化利用提供了潜在解决方案。
【实验方法】
铋基金属有机框架的合成：将100 mg乙酸铋[Bi(CH₃COO)₃]和119 mg 2,3,6,7,10,11-六羟基苯并菲（2,3,6,7,10,11-HHTP）加入到含有200 mL去离子水的烧瓶中，搅拌5分钟，超声分散10分钟。然后在85 ℃油浴中加热24小时，冷却至室温后用去离子水离心洗涤数次，并在60 ℃真空干燥箱中干燥24小时。向混合物中加入30 mL乙酸乙酯，持续搅拌10分钟，随后静置，待固体沉降后更换新的乙酸乙酯。重复该操作三次后，收集沉淀并在60 ℃真空干燥箱中干燥24小时。
碳包覆氧化铋的合成：将Bi-HHTP置于管式炉中，控制升温速率为3.5 ℃/min，在空气中350 ℃煅烧90分钟。冷却至室温后，收集黄色产物。Bi₂O₃/C@250和Bi₂O₃/C@400的制备方法与Bi₂O₃/C@350相同，煅烧温度分别为250 ℃和400 ℃。
【图文摘取】
【主要结论】
本文研究设计并构建了一种采用玻璃砂芯隔膜置于锌负极与Bi₂O₃/C@350气体扩散电极（GDE）正极之间的准零极间距水系锌-二氧化碳电池（AZCB）。
（1）该近零间隙AZCB展现出远优于H型和流动型电池的性能，具有高达67.0 mW cm⁻²的峰值功率密度、0.57 V的放电电位和117.5 mA cm⁻²的电流密度，同时具备超过600次循环的优异稳定性。所制备的准零间隙AZCB的优异电池性能源于氢氧根离子和CO₂传质的显著促进，以及Bi₂O₃/C@350催化剂高效且选择性的CO₂电催化转化能力。
（2）重要的是，最小化的电极间距可改善氢氧根离子传输，从而提升反应界面的电池性能和CO₂消耗速率，进而形成有利于CO₂,D（溶解态CO₂）和CO₂,G（气态CO₂）扩散及其转化的大浓度梯度。
（3）这反过来又极大地进一步提升了电池性能，构成了电池性能与传质之间的双向促进机制，这种零间隙AZCB在类火星大气环境下同样表现出优异性能，为火星探索提供了一种极具前景的能源与原料解决方案。
本工作为AZCBs提出了一种创新的电池构型，突破了传统H型结构的性能极限，极大地推动了水系CO₂电池从实验室研究向实际应用的转化，不仅适用于地球，也为火星应用提供了可能。
