Energ. Environ. Sci.：用于Li-CO2电池中高性能CO2电极的锰金属-有机框架

【引言】

电化学储能（EES）技术在推动现代社会发挥重要作用。在各种EES技术中，金属-空气电池在高体积、重量、能量密度方面具有前景。在飞机，航天飞机，潜艇等密闭空间内，迫切需要高能量密度的便携式电池。在这种情况下，金属空气尤其是锂空气电池是非常有前景的。提高Li-CO₂电化学的可逆性和能量效率将有助于开发存在CO₂时提供稳定电源的实用锂空气电池。然而，大多数现有的电极难以有效（高放电容量）和高效（低电荷电位）地转换CO₂。

【成果简介】

近日，北京理工大学王博、周俊文（共同通讯）团队首次发现金属-有机框架（MOFs）作为利用它们的高捕获能力和Li₂CO₃分解的单分散活性金属位点CO₂电极中的多孔催化剂的潜力。具体地工作是对八种多孔MOFs，Mn₂（dobdc），Co₂（dobdc），Ni₂（dobdc），Mn（bdc），Fe（bdc），Cu（bdc），Mn（C₂H₂N₃）₂，Mn（HCOO）₂和两种无孔材料MnCO₃和MnO进行了研究。其中，Mn₂（dobdc）在50 mA g^-1下达到18022 mA hg^-1的显著放电容量，而Mn（HCOO）₂即使在超过50次循环200 mA g^-1下也能保持〜4.0 V的低电荷电位。利用一系列表征技术，包括X射线衍射，扫描电子显微镜，电化学阻抗谱，拉曼光谱和原位差示电化学质谱，研究了MOFs电极上的Li-CO₂电化学行为。相关成果以题为“Carbon Dioxide in the Cage: Manganese Metal-Organic Frameworks for High Performance CO2 Electrodes in Li-CO₂Batteries”发表在了Energy & Environmental Science上。

【图文导读】

图1 配备MOF基CO₂电极的Li-CO₂电池的示意图

图2 晶体结构及电压曲线

（a）MnCO₃，Mn（HCOO）₂和Mn₂（dobdc）沿一定方向的晶体结构

（b）在298K下的CO₂吸附等温线

（c）在50mA g^-1下截止电压为2.0V的Mn₂（dobdc），Mn（HCOO）₂，MnCO₃和CNT的放电电压曲线

图3 循环性能

（a）不同电流密度下不同CO₂电极的平均充电电位

（b）在200mA g^-1下Mn（HCOO）₂电极的放电-充电循环性能

（c）Mn₂（dobdc）和Mn（HCOO）₂的吸附等温吸热量（Qst）随CO₂吸收量的变化

图4 拉曼光谱

（a,b）（a）Ni泡沫和（b）Mn₂（dobdc）@Ni在放电之前和之后的拉曼光谱

【小结】

虽然这里介绍的系统是初步的，但它们为改善Li-CO₂电化学的可逆性和能量效率提供了有用的设计原则。这些工作将预示实用技术的出现，并实现EES中CO₂的高能效利用。

文献链接：Carbon Dioxide in the Cage: Manganese Metal-Organic Frameworks for High Performance CO₂Electrodes in Li-CO₂Batteries（Energ. Environ. Sci.,2018,DOI:10.1039/C8EE00415C）

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