电化学CO2还原（CO2RR）是实现全球碳中和非常有前景的方法之一。金属-CO2电池装置不仅可以将 CO2还原成有价值的含碳化学品，降低大气中的CO2浓度，还可以实现对外供电。可充电的水系 Zn-CO2电池，由于使用水系电解液，CO2RR还原产物更加丰富，且电池的循环寿命和充放电性能更好。金属-CO2电池不仅能够将CO2还原成增值化学品，还能实现对外供电，具有“电能与增值化学品”共生的特征。与碱金属-CO2电池相比，如Li-CO2、K-CO2、Na-CO2电池，水系 Zn-CO2电池不仅安全性高，而且展示出更好的CO2RR特征，产物种类丰富。在这篇综述中，香港城市大学支春义教授团队总结了Zn-CO2电池的最新进展，包括一次和可充电电池系统的基本机制以及电池性能的影响因素，特别讨论了电池配置方面的最新进展，重点是催化剂阴极和水性电解质，对Zn-CO2电池CO2RR性能和电池行为的影响。此外，通过与碱金属-CO2电池的比较，对水系 Zn-CO2电池在CO2RR和能量转换方面的实际应用潜力进行了展望。最后，指出当前Zn-CO2电池面临的一些挑战，并对未来深入了解 Zn-CO2电池电化学机理和实际应用的研究方向提出展望。文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S25899651220005261.简介Zn-CO2电池的基本工作原理，包括原电池、可充电电池，强调了CO2RR在电池放电过程中的重要性。2.分析Zn-CO2电池性能的影响因素，并指出了Zn-CO2电池还原CO2产物的多样性。3.介绍贵金属、非贵金属和非金属材料作为催化阴极材料的进展。4.讨论Zn-CO2电池在绿色能源存储与CO2还原领域的应用前景。5.总结Zn-CO2电池与其他碱金属-CO2电池的差异和优越性，以及Zn-CO2电池所面临的挑战和未来的研究方向。一次Zn-CO2电池只能实现放电过程，其中CO2在阴极室中被电催化还原，而金属锌阳极在阳极室中被氧化。以电池放电产物CO 为例，CO2在催化阴极上被还原成CO的基本步骤如下：CO2(g)+ e- + * → *CO2- (1)*COOH + H+ + e- → *CO + H2O (3)CO2 + 2H+ + 2e- → CO(g) + H2O (5)Zn + 4OH- → Zn(OH)42- + 2e- (6)CO2 + Zn + 4OH- + 2H+ → Zn(OH)42- + CO(g) + H2O (7)与一次（不可充电）电池不同，可充电Zn-CO2电池在CO2还原和能量存储和转换方面更加灵活。对可充电型 Zn-CO2电池体系，双功能催化剂是实现其可充电性的关键所在，电池需要在放电过程中催化 CO2 还原成含碳产物，并在充电过程中催化氧化反应。注意，充电过程中的氧化反应包括但不限于将含碳产物氧化成CO2。Zn-CO2电池是一个相当复杂的系统，由催化剂阴极、电解质、隔膜和金属锌阳极组成。因此，Zn-CO2电池的整体电化学性能，包括放电产物的类型和能量效率、放电电压、循环稳定性和充放电电压间隙，都受到各个电池组成的影响。在阴极表面进行的CO2RR是Zn-CO2电池的关键所在。催化剂对实现优异的电池性能和提高电化学CO2转化为含碳产物的能力至关重要。与非水系Li/K/Na-CO2电池系统相比，Zn-CO2电池由于是水系电解质，放电产物为气态和/或水溶性，对催化剂的要求略低。一般来说，在设计高效的催化剂阴极时，应考虑化学成分、形态、结构和导电性。常用的阴极催化材料包括贵金属基催化剂、过渡金属基催化剂和非金属催化剂。“电能与化学品”共生型金属-CO2电池被认为是解决人类社会面临的能源、化石燃料短缺和气候变化问题的有效途径之一。与Li/Na/K-CO2电池相比，新兴的水系Zn-CO2电池还处于初级阶段，仍有待进一步深入研究。尽管如此，可充电水系Zn-CO2电池体系能够在放电过程中将阴极CO2RR与OER有效结合起来，充电过程表现出更灵活的 CO2还原，使得 CO2 能够连续转化为多种多样的含碳燃料，并提高电池的充放电效率和循环寿命。1）从反应动力学和过电位的角度来看，开发高效的双功能催化剂阴极仍然是Zn-CO2 电池最重要的课题。设计对 CO2RR 和 OER 均具有高活性的双功能催化剂阴极非常具有挑战性，因为 CO2RR 更喜欢在酸性/中性溶液中进行，而碱性环境更有利于OER。2）迄今为止，已报道的Zn-CO2 电池只获得了3种放电产物，即 CO、CH4和甲酸，而由Zn-CO2 电池产生的高阶含碳产物（例如 CH3OH、C2H5OH和C2H4）很少报道。CO2RR产物类型与催化剂阴极的选择性密切相关。铜基材料在CO2RR领域已证明能够有效地催化CO2还原成多碳化学品；然而，铜基材料的OER性能往往较差。铜基催化剂需要更进一步开发CO2RR和OER催化性能优异的铜基催化剂，提高Zn-CO2电池放电产物的多样性。3）包括阴极电解液和阳极电解液在内的电解液在Zn-CO2 电池中起着至关重要的作用，影响电池的整体性能，包括电压窗口、循环稳定性、反应动力学，甚至产品选择性。与碱金属-CO2系统中常用的有机电解质不同，水性电解质由于水分解而通常表现出相对较低的工作电位，但具有较高的安全性和离子电导率。电解质的化学成分直接影响CO2的扩散和中间体的吸附行为。因此，通过使用添加剂的策略，改变电解质的组成，以实现高稳定性、调节界面电化学和促进反应动力学，对进一步提高水系 Zn-CO2电池目标产物选择性和电池整体性能，具有重要意义。此外，由于电池长期运行，阴极电解液和阳极电解液的浓度差异，导致电化学性能下降也应被广泛关注。4）阳极表面的锌自腐蚀、锌枝晶和HER竞争反应会导致电池容量、寿命和耐久性的严重下降。阳极优化策略获得无枝晶锌负极并延缓锌自腐蚀，一直HER竞争反应，已在锌离子电池和锌空气电池领域取得了显著的进展。然而，阳极优化策略在Zn-CO2电池领域却很少受到关注。因此，期待更多致力于阳极优化工程的研究工作，从而进一步提高Zn-CO2电池的CO2还原和电池性能。支春义，香港城市大学教授，博士生导师。2004年中科院物理所取得博士学位，随后到日本物质材料研究机构工作，历任博士后研究员，研究员（faculty）以及主任研究员（永久职位）。目前为香港城市大学材料科学与工程系教授，松山湖材料实验室兼职研究员及郑州大学兼职教授。研究方向为可穿戴柔性电存储器件，包括锌基电池、水系电解质、高安全电池和金属空气电池等，致力于为各种柔性器件和可穿戴器件系统提供柔性电源解决方案。在Nature Review Mater., Nature Review Chem., Nature Commun., Joule, Chem, Matter, Energy Environ. Sci., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. In. Ed.等期刊发表论文400余篇（至2022年10月），他引4万余次（ISI），H因子为110，授权专利80余项。支春义教授是Clarivate Analytics全球高被引科学家（2019—2021，材料科学），香港青年科学院委员，International Academy of Electrochemical Energy Science理事，获得城大校长奖，青年杰出研究奖，NML研究者奖，北京市自然科学一等奖。关于 Nano Materials Science2019年3月创刊，重庆大学主办，香港城市大学吕坚院士任主编，21个国家 126位学者（包括18位院士）任编委，ScienceDirect全文开放获取。已报道诺贝尔物理学奖得主Konstantin Novoselov院士、吕坚院士、Ruslan Z Valiev院士、卢柯院士、成会明院士、申长雨院士、赵东元院士、段雪院士、侯保荣院士、孙军院士、王琪院士、张立群院士、Oliver G. Schmidt院士、Li Lu教授（新加坡国立大学）、Luyi Sun教授（美国康涅迪格大学）、Vijay Kumar Thakur教授（英国苏格兰乡村学院）、张强教授（清华大学）、郭少军教授（北京大学）、张荻教授（上海交通大学）、刘刚教授（西安交通大学）、彭章泉教授（中科院大连物化所）、刘畅教授（中科院金属所）、刘天西教授（东华大学）、胡宁教授、付绍云教授、黄晓旭教授、魏子栋教授、张育新教授（重庆大学）等团队的研究成果。刊发成果已被近110个国家及地区、约800种SCIE期刊引用报道，总下载58万余次。已入选ESCI、EI、Scopus、CSCD核心、CAS、DOAJ、INSPEC数据库，中国高质量科技期刊分级目录的材料科学综合类T2级、中国高校优秀科技期刊、重庆市高品质科技期刊、重庆市出版专项资助期刊、重庆名刊。2021 CiteScore 14.3，位列Scopus收录的全球同类期刊：Chemical Engineering：Chemical Engineering (miscellaneous)，第2位（2/42），前4.8%；Materials Science：Materials Science (miscellaneous)，第5位（5/124），前4.0%；Engineering：Mechanics of Materials，第10位（10/384），前2.6%。
