锂-二氧化碳电池基于锂离子和电子共同参与的CO₂还原与析出反应实现电能与化学能之间的相互转化，是一种理论能量密度高达1876 Wh kg^-1的绿色电化学储能技术。在放电时，CO₂发生还原反应产生电能，并在这一过程中转化为固体放电产物Li₂CO₃和单质C。理想情况下，Li₂CO₃和C会在充电过程中可逆共分解，释放出锂离子、电子和CO₂。然而，Li₂CO₃是一种宽带隙绝缘材料，具有较高的分解反应能垒和缓慢的动力学，通常需要较高的充电电位来驱动其分解反应，但这通常会引发电池其他部件（如电解质）的寄生分解和Li₂CO₃的不完全分解。上述问题在锂-二氧化碳电池以大电流进行充放电时会更加严重，导致较低的能量转换效率和有限的电池循环寿命。开发高效正极催化剂以降低锂-二氧化碳电池反应能垒，提高其反应动力学和可逆性，是推动锂-二氧化碳电池发展的关键。

本工作以Al-Co-Ru三元合金为前驱体，通过一步脱合金驱动相与微结构同步重构，实现了二维CoAl-双金属氢氧化物纳米片（⊥CoAl-LDH）与三维多级多孔RuCoAl合金（MP-RuCoAl Alloy⊥）的跨尺度组装，制备了具有丰富异质界面和多级多孔结构的合金/层状双金属氢氧化物异质结（MP-RuCoAl Alloy⊥CoAl-LDH）。此外，本工作以Al-Co二元合金为前驱体脱合金制备了CoAl-LDH；以硝酸刻蚀去除MP-RuCoAl Alloy⊥CoAl-LDH中的⊥CoAl-LDH，制得了MP-RuCoAl Alloy#。为区别于MP-RuCoAl Alloy#和CoAl-LDH，本文将MP-RuCoAl Alloy⊥CoAl-LDH中的MP-RuCoAl Alloy和CoAl-LDH分别记为MP-RuCoAl Alloy⊥和⊥CoAl-LDH。

MP-RuCoAl Alloy⊥韧带中的金属间化合物（IMC）、IMC与Ru之间丰富的纳米异质界面，以及MP-RuCoAl Alloy⊥与CoAl-LDH⊥之间的相界面，赋予MP-RuCoAl Alloy⊥CoAl-LDH独特的电子结构。此外，MP-RuCoAl Alloy⊥自身具有多级多孔结构，MP-RuCoAl Alloy⊥与⊥CoAl-LDH跨尺度组装形成了丰富的孔隙，丰富的孔结构有利于活性位点的充分暴露、放电产物的均匀沉积，并为传质和导电提供了流畅通道。得益于成分和结构上的协同优势，MP-RuCoAl Alloy⊥CoAl-LDH在Li-CO₂电池中表现出优异的CO₂还原与析出反应催化性能。在电流密度和截止容量分别为200mA g^-1和1000 mAh g^-1时，电池可稳定循环2270小时，充放电电压差约为1.3 V。原位微分电化学质谱（DEMS）测试表明，充电过程中析出的CO₂与转移电子数之比约为0.733，与3CO₂/4e^-的理论值较好吻合，证明了电池反应具有较高的可逆性。本工作为具有催化活性、传质和导电、稳定性等综合优势的异质电催化剂的设计开发提供了新思路。

图1 MP-RuCoAl Alloy⊥CoAl-LDH的制备过程示意图。

图2 MP-RuCoAl Alloy⊥CoAl-LDH和CoAl-LDH的物相和结构表征。(a)XRD衍射花样; (b)FTIR谱图; (c) Raman谱图; (d)氮气吸脱附等温线。

图3 MP-RuCoAl Alloy⊥CoAl-LDH的形貌表征。（a, b）SEM; (c)TEM; (d)HRTEM; (e-e₄)HAADF-STEM图及相应的元素分布。

图4 MP-RuCoAl Alloy⊥的(a, b)HRTEM和(a₁, a₂, b₁, b₂)反傅里叶变换(IFFT)图。

图5 MP-RuCoAl Alloy⊥CoAl-LDH各元素的高分辨XPS谱图。（a）Ru 3d & C 1s; (b)Al 2p; (c)Co 2p; (d)O 1s。

图6以MP-RuCoAl Alloy⊥CoAl-LDH为正极催化剂的Li-CO₂电池的反应机制研究。（a）首次充放电曲线和SEM图; (b)XRD衍射花样; (c)C 1s和(d) Li 1s XPS谱图;(e)FTIR谱图; (f)Raman谱图。

图7以MP-RuCoAl Alloy⊥CoAl-LDH、MP-RuCoAl Alloy#、CoAl-LDH三种正极催化剂构筑的Li-CO₂电池的电化学性能。以（a）MP-RuCoAl Alloy⊥CoAl-LDH和（b）CoAl-LDH为正极催化剂的Li-CO₂电池的充放电曲线；（d）以三种正极催化剂构筑的Li-CO₂电池的充放电终止电压及容量演化曲线。（c）完成（d）中测试后回收的MP-RuCoAl Alloy⊥CoAl-LDH与新鲜锂片构筑的Li-CO₂电池的充放电曲线。

图8以MP-RuCoAl Alloy⊥CoAl-LDH为正极催化剂构筑的Li-CO₂电池的原位DEMS测试。（a-c）充电过程中的气体消耗；（d-f）放电过程的气体析出。

第一作者：简天真(JIAN Tianzhen)，济南大学前沿交叉科学研究院博士研究生，研究方向为催化剂设计制备及其在金属–气体电池、分子电氧化/电还原等电催化反应中的性能评价。以第一（含共同）作者在Nano Research、Nano Energy、eScience、ACS Sustainable Chemistry & Engineering等期刊发表研究论文7篇

马文庆(MA Wenqing)，济南大学前沿交叉科学研究院副教授，硕士生导师。主要研究方向为面向先进电化学储能系统的纳米材料的设计制备及其在金属离子电池和金属–气体电池中的电化学行为研究与性能评价。主持国家自然科学基金青年基金、山东省自然科学基金青年基金等项目等5项。在Nano Research、eScience、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Chemistry A等期刊上发表20余篇研究论文。担任《Green Carbon》、《中国有色冶金》、《聊城大学学报》等期刊青年编委。

徐彩霞(XU Caixia)，济南大学前沿交叉科学研究院教授、博士生导师，山东省青年泰山学者、山东省优秀青年基金获得者。主要研究方向为高性能电化学储能材料设计与器件开发、纳米材料的制备及电催化性能究。承担国家自然科学面上基金2项、国家自然科学基金项目青年基金1项、山东省属高校优秀青年基金1项、山东省自然科学青年基金1项、中国博士后特别资助与面上基金各1项。目前已在Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Energy等期刊上发表90余篇学术论文，其中6篇文章被Web of Science的ESI (Essential Science Indicators)选为高被引用论文。以第一位和第三位次获得山东省自然科学二等奖各1 项，以第一位获得山东省高等学校科学技术奖一等奖2项。

E-mail:chm_xucx@ujn.edu.cn

刘宏(LIU Hong)，山东大学晶体材料国家重点实验室，教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。主要研究方向：组织工程与干细胞分化、生物传感与体外诊断、光电功能材料与纳米能源等。十年来，主持了包括十五、十一五、十二五863和自然基金重点项目在内的十余项国家级科研项目，作为首席科学家主持了十三五国家重点研发项，目取得了重要进展。2004至今，在包括Adv. Mater., Adv. Fun. Mater，J. Am. Chem. Soc, Envir. Eng. Sci., 等学术期刊上发表SCI文章400余篇，个人文章总被引次数超过34000次，H因子为85，40余篇文章曾被Web of Science的ESI选为高被引用论文。2018-2023连续六年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。作为主编创办了英文期刊《BMEMat》（《生物医学工程材料》）。授权专利40余项，分别在有关微纳生化传感器和人工晶体方面进行了千万元专利成果转让，与企业合作进行产业化生产。2019年获山东省自然科学奖一等奖。

Email: hongliu@sdu.edu.cn

Jian T, Ma W, Hou J, et al. Alloy/layer double hydroxide interphasic synergy via nano-heterointerfacing for highly reversible CO₂ redox reaction in Li-CO₂ batteries. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6461-4.