Adv. Mater. 综述：用于储能和化学生产的金属-氧化还原双催化电池
基于氧化还原电催化反应的新型电化学能量转换和储存装置在可再生能源领域拥有巨大的潜力，可以最大限度地提高能源利用率并平衡环境问题。典型的装置是金属氧化还原双催化剂电池，其中阴极是氧化还原双功能催化剂（被称为氧化还原双催化剂），以气体、固体、液体作为活性反应物，而阳极是金属，在充放电过程中由阴极电催化反应驱动，促进能量储存和化学生产。在这个系统中，金属阳极、氧化还原催化剂阴极、电解质和氧化还原电化学反应可以被修改和调整以达到最佳的能量转换和利用。因此，对电化学系统的深入了解有利于设计新的装置，以满足各种应用中的需求，包括能源储存和转换。
近日，中科院功能纳米结构设计与组装/福建省纳米材料重点实验室Wang Yaobing团队在国际顶级期刊“Advanced Materials”上发表了题为“Metal-Redox Bicatalyst Batteries for Energy Storage and Chemical Production”的综述文章。文章阐明了可充电/可逆金属氧化还原剂电池的基本原理和设计原则，以及每个部分如何影响能量转换和化学生产中的装置。总结了电催化还原/氧化反应、已报道的依靠氧化还原反应的系统以及相应的氧化还原催化剂。最后，对关键的挑战和可能的新型金属氧化还原催化剂电池的高效能源利用和化学生产给予了展望。
图1. 以往文献中报道的常见的电催化氧化和还原反应以及相应的金属氧化还原双催化剂电池。
图2. 从a-b）金属-O类电池到c-d）金属-C类电池，e-d）金属-N类电池和g-h）其他设备的基本原理说明。
图3.a) 水性和非水性金属氧化还原催化剂电池的结构。b) 各种电池的理论能量密度和电压。c) 不同电池产生的化学物质。
图4 a) 氧化还原双催化剂的设计原则 b) 不同类型的金属氧化还原双催化剂电池的主要进展 c) 用于锌空气电池的N-CNF气凝胶电催化剂。e) 用于锂-S电池的Ti4O7/S。f) 用于锂-空气电池的聚酰亚胺包覆碳纳米管。g) 用于锂-H2O电池的铂装饰Ni3N纳米片。
作者总结了金属氧化还原双催化剂电池的设计原理，包括氧化还原双催化剂阴极、阳极和电解质的基础和发展。基于高能量密度和成本效益的优势，金属氧化还原双催化剂电池是满足日益增长的能源需求的潜在技术之一。近年来，在金属氧化还原双催化剂电池领域取得了可喜的进展，同时仍有许多挑战有待解决。总结了电池和氧化还原双催化剂的机制。在设计原则的基础上，提出了相应的阳极、阴极、电解质和理论能量密度。特别的，讨论了各种氧化还原双催化剂的进展。对于非水系金属氧化还原双催化剂电池，大多数部件对水分敏感，应在惰性气氛下组装。一般来说，非水电池拥有比水电池更高的能量密度。尽管如此，水系物种，如Zn-CO2电池，可以同时实现能量储存和化学生产。然而，需要开发新的氧化还原催化剂，以减少能量障碍并克服迟缓的反应动力学。
尽管在这一领域取得了巨大进展，但仍有相当大的科学和技术挑战限制了实际应用。为了寻找新的战略和机会来发展金属氧化还原催化剂电池，学术界应在以下可能的方向上给予更多关注。
图5. 金属氧化还原双催化剂电池的发展和建议的未来方向。a) 氧化还原双催化剂。b) 电解液。
1. 设计和探索高效、生态友好和经济的氧化还原催化剂（图5a）。氧化还原催化剂不仅可以驱动装置中的放电/充电过程，还可以降低反应过电位，提高能量效率，以及改善循环稳定性。值得注意的是，在设计氧化还原催化剂时，氧化还原反应过程中的多元素和多电荷转移速率的不匹配是关键点。因此，在原子和分子水平上设计和制造具有耦合氧化还原电催化位点的材料是可取的。
2. 探索和开发具有良好的化学稳定性、高离子传导性和耐火性的准固态或固态电解质（图5b）。一般的液体电解质在循环过程中会不可避免地导致一些安全问题，特别是对于碱金属阳极。准固态或固态电解质具有更好的可操作性和安全性。此外，由于一些化学产品在液体电解质中的可溶性，准固态电解质似乎是分离和获得化学品的可行解决方案。
3. 开发新型的金属氧化还原双催化剂电池。基于这些电池的要点和基本原理（图5c），还有许多其他类型的金属氧化还原催化剂电池有待探索和研究。我们可以根据需要设计和制造它们。例如，Li-N2/H2电池可以被设计用于NH3的高效电合成，它是通过使用Li箔作为阳极和氧化还原双催化剂作为阴极来构建。在放电过程中，N2被还原成Li3N，而H2在充电过程中被氧化成H+。NH3是由Li3N和H+结合形成的。基于不同反应的新型电池可能是下一代可充电电池的替代品（图5d）。
Metal-Redox Bicatalyst Batteries for Energy Storage and Chemical Production
Advanced Materials ( IF 32.086 ) Pub Date : 2023-02-26 , DOI: 10.1002/adma.202212078
Shichen Yan, Yangyang Feng, Jing Lin, Yaobing Wang