本研究报告详细介绍了由Hairong Xue、Hao Gong等作者团队在《Advanced Energy Materials》期刊（2021年出版）上发表的一项突破性研究。该研究由日本国立材料科学研究所（NIMS）的国际材料纳米架构中心（WPI-MANA）、南京林业大学、南京航空航天大学以及澳大利亚昆士兰大学等多家机构合作完成。
在全球气候变化的严峻挑战下，二氧化碳（CO2）的捕获与储存技术日益成为研究热点。金属-CO2电池，尤其是Li-CO2电池（LCOBs），因其能够同时实现CO2固定和能源存储的双重功能而备受关注。传统非水系（非质子性）Li-CO2电池虽然具有较高的工作电压和能量密度（2.80 V vs Li/Li+），但其放电产物Li2CO3是固态绝缘体，需要高达3.5-4.5 V的充电过电位才能分解，导致能量效率低下、循环稳定性差以及电解质分解等问题。
在此背景下，研究团队首次提出了一种新型水系Li-CO2电池系统，采用可溶性甲酸（HCOOH）作为放电产物，其反应机理为：CO2 + 2H+ + 2Li ↔ HCOOH + 2Li+（通过Pd催化剂）。这一创新设计避免了固态Li2CO3的累积问题，显著降低了充电过电势，将能量效率提升至创纪录的91%，为实现高效碳捕集与能源存储提供了全新思路。
研究团队设计了独特的电池结构方案（图1a）： - 采用NASICON型固态电解质（SSE）Li1+xAlxGe2-x(PO4)3(LAGP)作为隔膜，其离子电导率达4.37×10^-4 S/cm，电化学窗口高达6 V - 阳极室：金属锂箔直接贴合在LAGP隔膜上，配以少量非水系电解质降低界面阻抗 - 阴极室：填充含LiCl(1 M)和HCOOLi(0.1 M)的水系电解质
关键材料制备工艺： 1. 纳米多孔Pd薄膜阴极：采用电位恒定电沉积法（0 V，1200 s），以三嵌段共聚物P-123为模板剂（浓度高于临界胶束浓度CMC：0.18 wt%），在碳纸上沉积形成具有高比表面积（37.4 m^2/gPd）的纳米多孔结构（图2） 2. LAGP固态电解质：通过高能球磨和高温烧结（900°C，6小时）制备，XRD证实其结晶相与标准PDF#80-1923相符
研究采用了系统全面的表征手段： - 微观结构表征：SEM显示Pd薄膜厚度约2μm，内部具有丰富孔道；HR-TEM确认Pd {111}晶面间距0.22 nm；XPS证实Pd 3d结合能为335.4⁄340.65 eV（金属态） - 电化学活性表面积(ECSA)评估：通过PdO还原电荷计算（424 μC/cm^2标准值），多孔Pd薄膜ECSA达37.4 m^2/gPd，远优于块体Pd颗粒（10 m^2/gPd） - CO2还原反应(CO2RR)测试：在H型电解池中，0.1 M LiCl溶液，-0.38 V(vs RHE)下，甲酸法拉第效率(FE)达90%，电流密度14.4 mA/cm^2 - 甲酸氧化反应(FAOR)测试：在1 M LiCl+0.1 M HCOOLi溶液中，多孔Pd在0.44 V(vs RHE)表现出10 mA/cm^2的峰值电流，是块体Pd的两倍
组装的水系Li-CO2电池展现出卓越的充放电特性（图4）： - 电压特性：放电平台电位2.61 V，充电电位仅2.87 V，过电位0.26 V - 能量效率：首圈效率高达91%，150次循环后仍保持81% - 循环稳定性：在0.2 mA/cm^2电流密度下可稳定循环300小时以上 - 速率性能：即使在高电流密度1 mA/cm^2下，充电电位仅升至3.04 V
特别值得注意的是，通过13CO2同位素标记实验（核磁共振显示8.15 ppm处的双重峰），研究确证了甲酸产物确实来源于CO2电化学还原，而非其他副反应。
相比传统非水系Li-CO2电池（表1），本研究的水系系统具有多重优势： 1. 产物可溶性：HCOOH避免电极堵塞问题 2. 低过电位：0.26 V vs 传统1.0 V以上 3. 高能量效率：91% vs 典型60-70% 4. 安全性：避免有机电解质的易燃性 5. 成本效益：水系电解质更经济环保
本研究的主要科学贡献体现在： 1. 反应机理创新：首次将可溶性HCOOH作为Li-CO2电池的放电产物，通过逆向反应实现CO2的循环利用 2. 材料设计突破：开发具有双功能催化特性的纳米多孔Pd薄膜，其特殊结构（高ECSA和内部孔道）为CO2RR和FAOR提供充足活性位点 3. 系统集成创新：巧妙地结合水系阴极室与非水系阳极室，利用LAGP固态电解质实现选择性Li+传导和H2O阻隔 4. 性能指标突破：创造了Li-CO2电池的能量效率纪录（91%），同时保持优异循环稳定性
该技术为CO2资源化利用和新型储能系统开发提供了全新路径： - 碳捕集与利用(CCU)：可作为分布式CO2固定和能源转换装置 - 可再生能源存储：与风电、光伏等间歇性能源配合，实现”电力-CO2-电力”的循环 - 移动设备电源：高能量密度和安全性适合特殊应用场景 - 基础研究平台：为研究CO2电化学转化机制提供新模型系统
未来改进方向可能包括：开发非贵金属双功能催化剂降低成本；优化电解质组成提升反应动力学；研究规模化制备工艺等。
这项研究不仅突破了传统Li-CO2电池的技术瓶颈，也为开发其他金属-气体电池系统提供了重要的方法论参考，在能源转化与存储领域具有里程碑式的意义。