综述：水系可充电Zn-CO2电池研究进展：聚焦阴极双功能催化剂

这篇综述系统总结了水系可充电Zn-CO2电池（ARZCBs）的最新研究进展，重点探讨了阴极双功能催化剂在促进CO2还原反应（CO2RR）和氧析出反应（OER）中的关键作用。文章深入分析了电池结构设计、反应机理及催化剂优化策略，为解决当前面临的产物附加值低、电流密度小、过电位高等挑战提供了重要见解。

　　

【结构创新推动电池性能突破】
水系可充电Zn-CO₂电池作为新兴的能源存储与CO₂利用技术，其核心挑战在于优化电池结构设计。传统H型电池因CO₂扩散速率慢、溶液电阻大等问题限制了性能表现。前沿研究转向流动电池设计，通过蠕动泵持续供应CO₂和电解液，显著提升了传质效率。这种设计将阴阳极间距缩短至毫米级，使电流密度提升近10倍，能量效率（EE）突破60%。更先进的膜电极组件（MEA）结构则有效缓解了碳酸盐沉积问题，为工业化应用铺平道路。

【反应机理的分子层面解析】
在放电过程中，Zn阳极发生氧化反应生成Zn²⁺，在碱性条件下形成Zn(OH)₄^2-或ZnO。阴极则通过质子耦合电子转移（PCET）机制实现CO₂还原，其产物分布高度依赖中间体的吸附模式：COO吸附倾向生成CO和CO中间体，而*OCO吸附更易产生甲酸（HCOOH）。充电时的氧析出反应（OER）遵循吸附质演化机制（AEM）或晶格氧介导机制（LOM），其中四步电子转移过程决定了反应能垒。值得注意的是，Cu基催化剂虽能促进C-C偶联生成多碳产物，但其OER活性不足制约了在Zn-CO₂电池中的应用。

【催化剂设计的技术革命】
金属自由催化剂中，氮掺杂有序介孔碳（NOMC）在360mV过电位下实现CO法拉第效率（FE）近100%；而B/N共掺杂碳纳米管（C-BN@600）则创下74%的甲醇选择性纪录。主族金属催化剂方面，氧空位富集的SnO₂纳米片（V_O-N-SnO₂ NS）使甲酸选择性达83%，Bi₅O₇I更在-50°C低温条件下保持90%的甲酸FE。过渡金属催化剂中，AgCd-B合金在-0.8V电位下CO选择性高达99%，而Fe@NPC催化剂通过铁纳米颗粒与多孔碳的协同作用，使CO产率提升至96.4%。

【单原子催化剂的突破性进展】
单原子催化剂（SACs）和双原子催化剂（DACs）展现出非凡潜力。轴向N配位的Fe-N₅位点（FeN₅@DNC）在-0.4V实现99%的CO选择性；NiP-N₄-C催化剂通过3d轨道重构使自旋态转变，获得18.5mW cm^-2的峰值功率密度。双原子体系中，Fe-Ni-N-C催化剂通过金属间协同作用使CO FE提升至93.4%，而CuNi-DSA/CNFs则利用电负性差异优化电子转移，在-0.98V实现99.6%的CO选择性并保持56小时稳定循环。

【未来发展的关键技术路径】
提升电池性能需聚焦三大方向：开发流动池与MEA组件优化传质效率；设计Cu基复合催化剂实现多碳产物转化；构建保护层增强催化剂稳定性。特别值得关注的是，人工智能（AI）辅助设计将通过机器学习快速筛选催化剂组合，而生成对抗网络（GAN）有望突破传统合成方法的限制。这些创新将推动Zn-CO₂电池在5G基站储能、离网供电等场景的商业化应用，为实现"双碳"目标提供关键技术支撑。