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Li-CO₂電池由于可以同時固定CO₂和存儲能量而被認為是下一代有前景的儲能系統。然而，CO₂還原/析出反應的緩慢動力學嚴重阻礙了其實際應用。

在此，復旦大學彭慧勝教授、王兵杰副研究員等人通過將等離激元金屬納米粒子（如金、銀）與半導體光催化材料相結合，設計了一種協同雙場輔助正極以解決半導體光催化劑的固有局限性。在入射光下，等離激元金屬納米粒子中自由電子的集體振蕩可以構建一個局部增強的電場，該電場對光電子和空穴施加相反的力以抑制不利的電荷載流子復合。

作為演示，作者將銀（Ag）納米粒子電沉積在負極氧化的二氧化鈦（TiO₂）納米管陣列（TNAs@AgNPs）上，作為雙場輔助正極以促進CO₂還原/析出反應。響應于施加的光場，在TiO₂處產生了大量的光生電子-空穴對，Ag納米顆粒周圍的局部增強電場促進了光生載流子的分離/轉移，從而在CO₂還原/析出反應中更好地利用載流子。

圖1. 雙場輔助Li-CO₂電池的電化學性能

此外，增強電場作用下放電產物的中介形態也有助于放電產物的分解。電化學測試結果顯示，雙場輔助Li-CO₂電池具有超低充電電壓（0.10 mA cm^-2時為2.86 V）、100次循環后具有出色的循環穩定性（往返效率為86.9%）、高倍率性能（可在2.0 mA cm^-2下工作）以及31.11 mAh cm^-2的令人印象深刻的面積容量。

作者通過結合SEM表征、拉曼光譜、差分電化學質譜（DEMS）及DFT計算，闡明了光場和增強電場對電池反應的雙場協同機制。因此，這種協同雙場輔助技術可以通過提高光能利用率來加速緩慢的正極反應，這也為實現Li-CO₂電池甚至其他金屬-空氣電池的預期性能提供了一種通用且有效的解決方案。

圖2. TNAs和TNAs@AgNPs正極產物生成和分解的機理研究

Boosting Cycling Stability and Rate Capability of Li-CO₂ Battery via Synergistic Photoelectric Effect and Plasmonic Interaction, Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202201718

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復旦彭慧勝/王兵杰Angew: 光電效應+等離激元協同提高Li-CO2電池性能

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