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郭少華等Angew:Li-O2電池電催化劑中的Sabatier關(guān)系

郭少華等Angew:Li-O2電池電催化劑中的Sabatier關(guān)系
Li-O2電池(LOB)具有超高的理論能量密度(3457 Wh kg-1),是一種很有前途的“超鋰離子”技術(shù),但目前受到O2與Li2O2可逆氣-固反應(yīng)正極動力學(xué)緩慢的阻礙。此外,缺乏實現(xiàn)高性能的設(shè)計指導(dǎo),使得催化劑的探索無果而終。
基于此,南京大學(xué)郭少華教授等人報道了通過高熵策略精心構(gòu)建了一系列具有寬分布d-帶中心(即大范圍吸附強度)的催化劑,從而對LOB電催化劑中的Sabatier關(guān)系進行了深入研究。d作為概念演示,使用FeCoNiMnPtIr作為催化劑的LOB提供了超過80%的卓越能量轉(zhuǎn)換效率,并以4000 mAh g-1的高固定比容量穩(wěn)定工作2000 h。
郭少華等Angew:Li-O2電池電催化劑中的Sabatier關(guān)系
通過DFT計算,作者研究了d-帶中心與催化活性之間的關(guān)系。將吸附催化劑與LiO2(LOB中最關(guān)鍵的中間體)或Li2O2(其分解動力學(xué)主導(dǎo)LOB的能量轉(zhuǎn)換效率)之間的結(jié)合強度作為d-帶中心的指標進行了研究。LiO2/Li2O2的兩個O原子在設(shè)計的合金中與活性原子結(jié)合,而Li原子通過靜電相互作用被其他原子吸引。
LiO2/Li2O2的結(jié)合能隨著d-帶中心的下降而不斷降低,呈現(xiàn)出HEA > PtIr > HEAPtIr > HEAIr > HEAPt的趨勢。能量轉(zhuǎn)換效率隨結(jié)合能的單調(diào)變化呈火山曲線而非線性曲線,且在HEAPtIr具有中等吸附能力的陰極處達到最大值。
郭少華等Angew:Li-O2電池電催化劑中的Sabatier關(guān)系
作者直接看到LiO2在HEA和PtIr表面上結(jié)合更強,O原子和金屬原子之間的電子密度也更高,而HEAIr和HEAPt沒有明顯的增加,HEAPtIr達到了平衡。
作者還計算了O1-O2鍵的投影和積分晶體軌道漢密爾頓族(pCOHP和iCOHP)的值,對于-pCOHP,正負部分分別代表成鍵和反鍵相互作用,而-iCOHP越負則表明氧原子之間的相互作用越弱。從HEAPt到HEAPtIr,隨著結(jié)合能的增加,占據(jù)了更多的反鍵態(tài),表明與HEAIr和HEAPt相比,HEAPtIr可以進一步削弱O1與O2之間的相互作用。
郭少華等Angew:Li-O2電池電催化劑中的Sabatier關(guān)系
Sabatier Relations in Electrocatalysts Based on High-entropy Alloys with Wide-distributed d-band Centers for Li-O2 Batteries. Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI:10.1002/anie.202310894.

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