Li-CO₂电池因为可能具有碳中和功能，因此受到人们的广泛关注。但是因为CO₂的氧化还原反应动力学非常缓慢，导致Li-CO₂电池存在高过电势和低库伦效率等问题，难以实际应用。因为存在复杂的多电子转移过程，因此从分子和原子尺度设计催化剂并且深入理解电子结构和催化剂性能之间的关系是理解CO₂氧化还原反应的关键，但是关注这方面的相关研究非常罕见。

有鉴于此，清华大学周光敏、深圳大学杨金龙等通过DFT理论计算研究Co₃S₄催化剂体系，发现Cu掺杂和S缺陷能够分别调节Co₃S₄与CO₂和Li物种杂化的d能带和p能带位置，从而有助于反应物分子吸附和Li₂CO₃的分解。同时，实验结果同样验证了这种能带调控作用。

主要内容：

（1）

通过Cu掺杂和S缺陷处理得到V_s-Co₂CuS₄催化剂，发展了性能优异的双向催化剂（bidirectional catalyst）。因此在Li-CO₂电池中得到非常小的电压降（0.73 V），以及高达92.6 %的库伦效率。

（2）

Cu掺杂和S缺陷提高d轨道和p轨道的能级位置，在Fermi能级产生更高的电子浓度，有助于催化剂与Li，CO₂，Li₂CO₃成键，实现调节催化剂的吸附-分解过程，降低活化能能垒，使得Li-CO₂电池的氧化还原反应更容易发生。

这项工作发展了一种非常有效的催化剂设计理念，有助于理解设计高性能Li-CO₂电池电极材料的方法。

参考文献

Bingyi Lu, Xinru Wu, Xiao Xiao, Biao Chen, Weihao Zeng, Yingqi Liu, Zhoujie Lao, Xian-Xiang Zeng, Guangmin Zhou, Jinlong Yang, Energy Band Engineering Guided Design of Bidirectional Catalyst for Reversible Li-CO₂ Batteries, Adv. Mater. 2023

DOI: 10.1002/adma.202308889

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202308889