城大化學家利用具有非常規晶相的納米結構催化劑提升環保電池效能

金屬-二氧化碳（Metal- CO₂）電池是一種充滿前景的環保技術，但其能源效率有限。最近，一支由香港城市大學（城大）化學家共同領導的研究團隊發現了一種創新的方法，通過引入「非常規晶相」的納米材料作為催化劑，提高金屬氣體電池的能源效率至83.8%，克服了舊式電池能源效益不足的難題。該研究揭示了新一代金屬-氣體電池的催化劑的新穎設計，為促進碳中和作出貢獻。

金屬-二氧化碳電池可以為電子產品提供持久的電力，且具有高能量密度。它能夠實現二氧化碳固定（CO₂ fixation），而不需要從外部電路消耗額外的能量，即可將二氧化碳這種溫室氣體轉化為增值產品（圖1）。其中鋰-二氧化碳電池獲看好，因它具有很高的理論能量密度（1,876 Wh kg^-1），極有潛質應用於下一代的高性能能源轉換和儲存技術。

然而，金屬-二氧化碳電池仍然存在反應動力學遲緩的問題。它存在巨大的「過電位」（over potential），即是若要電池順利運作，需要遠比理論值高得多的電壓或能量，才能驅動電池的氧化-還原反應。這缺點導致金屬-二氧化碳電池能源效率低、可逆性差，而且充電循環穩定性相當有限。

傳統催化劑改良策略的技術障礙

負責領導今次研究的其中一名學者、城大化學系助理教授范戰西博士說︰「以往的研究人員普遍認為，複合陰極催化劑內的金屬基成分的形態、尺寸、成分和分布，是導致電池性能差異的主要因素。」他續說：「但我們發現，若製備具有非常規相的新型催化劑，也可以是提高金屬氣體電池能源效率和性能的可行且有前景的策略，尤其是當傳統的催化劑改良策略一直遇到長期的技術障礙。」

范博士和他的團隊此前對金屬基納米材料晶相（crystal phase）的精確調控，積累了豐富經驗和知識，使他們能夠選擇合適的元素來構建其「非常規相」，然後進一步研究催化劑的晶相對某種非質子型（不涉及氫離子）金屬-氣體電化學的反應動力學的影響。「然而，這絕不意味著上述的實驗容易進行，因為它牽涉到在有機環境下，對陰極催化劑的雙功能性的嚴格要求。」范博士解釋說。

該研究團隊通過控制銥（Ir）在金（Au）模板上的生長動力學，合成了具有非常規的「4H/面心立方（face-centred cubic, fcc）」異相銥納米結構（圖2）。他們的實驗結果顯示，若與其他的金屬基催化劑相比，這種「4H/fcc」異相催化劑在非質子型鋰-二氧化碳（Li-CO₂）電池的循環過程中，展現了一個較低的充電電壓平台（低於3.61V）（圖3）和更高的能源效率，高達83.8%。故相對於其他金屬基催化劑最少需要约3.8V的充電電位以及僅得70%至75%的能源效率，新發明的非常規相納米結構催化劑更為優異。

非常規相金屬納米材料的突出性能

該團隊結合了實驗和理論計算的結果，發現通過「相工程」（phase engineering）製成的4H/fcc 銥納米結構，更有利可逆轉的非晶/低晶放電產物的形成（圖4），從而降低「過電位」，促進了電化學氧化還原反應的循環穩定性。非常規相的「4H/fcc銥納米結構」比普通的「fcc銥」表現出更優越的性能。若與以往所有曾被研究發表的金屬基催化劑相比，這種新發明的納米結構催化劑在非質子型的Li-CO₂電池中展現了更出色的充電電位和能源效率。

「今次研究揭示了相工程在金屬-氣體電化學催化劑的巨大潛力。它為如何設計催化劑以開發可持續發展的電化學能源轉換和儲存系統，開闢了一個新的研究方向。」范博士總結道。

今次的研究成果最近已發表於科學雜誌《美國國家科學院院刊》（PNAS）之上，標題為"Boosting the reaction kinetics in aprotic lithium-carbon dioxide batteries with unconventional phase metal nanomaterials"。

這項研究的第一作者包括城大周靜雯先生和廖玲文博士、香港科技大學王天帥博士和中國工程物理研究院（CAEP）陳林先生。通訊作者包括城大范戰西博士、香港科技大學趙天壽教授、中國科學院物理研究所谷林教授和中國工程物理研究院程建麗教授。參與今次研究的其他城大學者包括理學院院長兼材料化學講座教授李振聲教授、化學系的陳博博士和官志强博士，以及該學系多名博士生。研究項目的主要經費來源包括國家自然科學基金委員會（NSFC）、香港創新科技署（ITC）、國家貴金屬材料工程技術研究中心香港分中心（NPMM）和城大。