乙醇蒸气驱动多碳化学实现高性能镁-二氧化碳电池的突破性进展

研究人员针对传统Mg-CO2电池中固体/液体催化剂导致的CO2RR/CO2ER反应动力学迟滞问题，创新性提出乙醇蒸气驱动策略，通过形成导电性C2+产物Mg(CH3COO)2·4H2O，实现放电/充电容量超50,000 mAh g-1和600小时稳定循环，为碳固定技术开辟新路径。

　　

在全球碳中和背景下，金属-二氧化碳电池因其独特的碳固定与能量转换双重功能备受关注。其中镁-二氧化碳(Mg-CO₂)电池凭借镁负极的高体积容量(3833 mAh cm^-3)和本征无枝晶特性，被视为极具前景的能源存储系统。然而传统体系面临根本性挑战：固体催化剂虽能降低放电过电位，却导致绝缘性MgCO₃/MgO产物难以分解；液体催化剂虽改善界面接触，但存在稳定性差和阴极钝化问题。这种"降低放电过电位"与"提升充电效率"之间的矛盾，成为制约电池性能提升的"阿喀琉斯之踵"。

北京科技大学材料科学与工程学院和北京大学材料科学与工程学院的研究团队在《National Science Review》发表突破性成果，通过引入乙醇蒸气这一"气相调控剂"，成功将反应路径从传统无机产物转向有机多碳化合物。研究显示，200 ppm乙醇蒸气可使CO₂在石墨烯阴极的吸附能从-0.16 eV提升至-0.39 eV，同时将产物与基底的结合能从-0.88 eV(MgCO₃)降至0.07 eV，形成具有导电特性的醋酸镁四水合物[Mg(CH₃COO)₂·4H₂O]。这种独特的C₂₊产物通过薄膜/微粒形态（厚度<100 nm）实现快速电荷传输，使电池在1,600 mA g^-1高电流密度下仍保持1.2 V的低电压间隙。

关键技术包括：1）采用气相沉积法构建乙醇蒸气(50-800 ppm)调控的CO₂反应环境；2）通过原位XRD和拉曼光谱追踪产物相变过程；3）结合HR-TEM和SAED解析产物晶体结构；4）基于DFT计算揭示乙醇降低4.31 eV能垒的作用机制；5）采用三电极体系进行EIS和CV测试分析界面动力学。

【电化学性能突破】

在200 mA g^-1电流密度下，含200 ppm乙醇蒸气的电池展现0.52 V的充放电电压差，较传统体系降低67%。通过CV曲线证实其CO₂RR起始电位提升至0.9 V，而CO₂ER起始电位降至1.4 V。值得注意的是，电池在50,000 mAh g^-1的超高容量下仍保持库仑效率>98%，突破现有Mg-CO₂电池容量记录。

【产物表征发现】

XRD与拉曼光谱证实乙醇浓度≥200 ppm时，放电产物完全转变为Mg(CH₃COO)₂·4H₂O（JCPDS No. 00-011-0709）。HR-TEM显示其(220)晶面间距0.28 nm，SAED图谱呈现典型的单晶衍射斑点。FTIR在1580 cm^-1处检测到羧酸根特征峰，XPS在531.8 eV出现Mg-O-C键合信号，共同验证产物结构。

【反应机制解析】

DFT计算揭示乙醇通过自氧化反应产生CH₃COO^*中间体，使反应路径能垒从4.31 eV降至1.02 eV。COHP分析显示Mg(CH₃COO)₂·4H₂O与石墨烯的键合强度(-0.017 eV)远低于MgCO₃(-0.153 eV)，Bader电荷分析证实其电子转移量仅0.17|e|，这些特性共同促成产物的高效形成与分解。

该研究开创性地实现了三个范式转变：1）从无机碳酸盐到有机多碳产物的反应路径转变；2）从"催化剂依赖"到"气相调控"的策略转变；3）从"绝缘钝化"到"导电传输"的界面转变。其意义不仅在于创造了目前循环寿命最长（600 h）、容量最高（50,000 mAh g^-1）的Mg-CO₂电池体系，更为CO₂固定技术提供了"气相反应物设计"的新思路，在船舶能源系统、工业废气处理等领域具有广阔应用前景。Wenbo Liu等通过这项工作证明，通过精准调控多相界面化学环境，可以突破传统电化学体系的能量转换极限，为下一代碳中和技术发展指明方向。