研究背景

水系锌基可充电电池凭借固有安全性优异、成本低廉、环境友好以及材料储量丰富等优势，已成为下一代储能设备领域的研究重点。值得注意的是，除传统储能功能外，Zn−NO₃⁻电池和Zn−CO₂电池还实现了化学品增值及环境修复的功能。以Zn−NO₃⁻电池为例，在放电过程中，硝酸盐还原反应（NO₃RR）将硝酸盐污染物转化为具有附加值的氨（NH₃），实现了发电与污染物再利用的双重目标。这种双重优势使Zn−NO₃⁻电池成为实现可持续能源-环境修复的极具前景的解决方案。然而，Zn−NO₃⁻电池在充电过程中面临着关键限制。在充电时，电池必须发生一个氧化反应来接受电子，而当前几乎所有电池设计都选择析氧反应（OER）。但OER本质上反应迟缓，需要较大的过电位，并且仅产生低价值的氧气。此外，氨氧化在热力学和动力学上的挑战使得其在实际条件下不可逆，最终损害了NO₃⁻向NH₃转化的目标。近年来，小分子氧化反应（SMORs）因具备氧化电位低、产物附加值高的双重优势，成为OER的有吸引力的替代方案。已有研究表明，将 SMORs 与阴极还原反应（如HER、CO₂RR）进行配对，可显著提升电解系统的能量效率与经济效益。然而，这些研究大多局限于一次电化学体系（如电解水），尚未拓展至可充电的二次电池系统。

文章简介

近期，我们创新性提出可充电的不对称锌-硝酸盐/甘油电池（aZB），通过集成电化学硝酸盐还原反应（NO₃RR）和甘油氧化反应（GOR），从而实现全过程的化学品增值与能量转化。在该体系中，放电时将NO₃⁻还原为氨（NH₃），而充电时将甘油氧化为高附加值的甲酸（HCOOH）。相较于传统 Zn-NO₃⁻电池依赖的OER，GOR 热力学更优、产物价值更高，可显著降低充电电压、提升能量效率，解决传统体系能耗高和产物价值低的问题。基于双功能催化剂CuO_x/NiCoLDH复合材料，aZB 能量效率达 62.2%，倍率性能优异，2 mA cm⁻²下稳定运行超 200 小时；集成至流动池后，5 mA cm⁻² 下仍稳定运行 120 小时，验证其可扩展性与工业化潜力。这项工作开创了一种新型电池设计范式，通过策略性地耦合不对称氧化还原反应，实现了能量的转化与化学品的同步增值。

其成果以题为“Rechargeable Asymmetric Zinc–Nitrate/Glycerol Batteries Synergizing Chemical Valorization and Energy Conversion”在国际知名期刊EES Batteries上发表。

文章要点

一、充电反应由热力学更加有利的GOR取代高能耗的OER，有效降低了充电电压，提高了电池能量效率。

二、基于CuO_x/NiCoLDH催化剂，非对称电池高效集成了能量转化与化学品增值，能量效率达 62.2%，倍率性能优异，2 mA cm⁻² 下稳定运行超 200 小时。此外，集成至流动池后，5 mA cm⁻² 下仍稳定运行 120 小时，TEA验证了其经济可行性，展示了其在实际应用中的潜力。

文章链接

https://doi.org/10.1039/D5EB00163C

第一作者简介

闫志捷，天津大学化工学院2023级硕士生，导师为杨春鹏教授，本科毕业于青岛大学。致力于水系锌离子电池的正极研究。

2025-10-15