Deciphering Molecular Structural Effect on Redox‐Mediated CO 2 Reduction Reaction Mechanisms for Aprotic Li‐CO 2 Batteries

加合物 部分 离解(化学) 氧化还原 亚稳态 动力学 组合化学 催化作用 化学 材料科学 光化学 反应机理 可逆反应 计算化学 反应中间体 电化学 从头算 结合能 密度泛函理论 键离解能 合理设计 电催化剂 化学动力学
作者
Tianfeng Yao,Long Pang,Yuwei Su,Limin Guo,Erkang Wang,Zhangquan Peng,Zhiwei Zhao
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:16 (14)
标识
DOI:10.1002/aenm.202506608
摘要

ABSTRACT Redox mediators (RMs) emerge as critical enablers for unlocking the energy potentials of aprotic Li‐CO 2 batteries through solution‐mediated CO 2 reduction reaction (CO 2 RR). However, the structural effect of RMs on CO 2 RR pathways and catalytic efficiency remains insufficiently understood. Herein, through a comparative investigation of model quinone (Q)‐based RMs using in situ spectroscopic techniques coupled with theoretical calculations, it is revealed that reduced Q species chemically bind with CO 2 to form metastable Li n (Q‐xCO 2 ) adducts (n, x = 1 or 2), which subsequently dissociate into LiCO 2 intermediates and further generate Li 2 CO 3 and CO as discharge product while regenerating Li n Q (n = 0 or 1) for sustained redox cycling. The dissociation of Li n (Q‐xCO 2 ) adducts constitutes the rate‐determining step under non‐polarization conditions. The introduction of electron‐withdrawing groups (EWGs) into the Q moiety can enhance discharge potentials, but creates a kinetic trade‐off: increased dissociation kinetics of Li n (Q‐xCO 2 ) adducts and suppressed adduct formation due to diminished CO 2 binding affinity for reduced Q species. Strategic electronic modulation via optimized EWG substitution balances this CO 2 affinity and adducts dissociation equilibrium, achieving simultaneous improvements in discharge potential and capacity. Our work provides fundamental guidelines for the rational design of advanced RMs in next‐generation Li‐CO 2 batteries.
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