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合肥工业大学张大伟，中国矿业大学（北京）刘瑞平Small：Co3O4/Fe2O3纳米异质结构界面工程加速Li-O2电池反应动力学

时间：2022-11-25 来源：浏览：

合肥工业大学张大伟，中国矿业大学（北京）刘瑞平Small：Co3O4/Fe2O3纳米异质结构界面工程加速Li-O2电池反应动力学

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【研究背景】

锂-氧气电池因其高理论能量密度（其能量密度为3500 Wh/kg，是当前锂离子电池的10倍）和潜在的低成本而被视为替代传统锂离子电池的可行性方案。然而，由于缓慢的反应动力学，导致Li-O ₂ 电池的实际放电容量低、倍率性能差、充放电效率低、循环稳定性差等，极大地阻碍了其实际应用。

【成果简介】

近日，合肥工业大学张大伟教授和中国矿业大学（北京）刘瑞平教授课题组合作以Co基MOFs材料Co-NTA为模板合成一维纳米棒状Co ₃ O ₄ ，通过在Co ₃ O ₄ 表面构建Fe ₂ O ₃ 的界面工程策略，制备了由Co ₃ O ₄ 和Fe ₂ O ₃ （Co ₃ O ₄ /Fe ₂ O ₃ ）组成的具有多孔棒形貌的纳米异质结构催化剂，将其作为Li-O ₂ 电池正极催化剂，可以有效地提高电池反应动力学，降低充电过程中的极化。在电流密度为500 mA g ^- ¹ ，限制比容量为1000 mA h g ^- ¹ 下，可以稳定循环280圈。密度泛函理论 (DFT) 计算显示纳米异质结构界面处的电荷密度存在差异，表明Co ₃ O ₄ 和Fe ₂ O ₃ 的界面区域发生了电子转移过程，意味着强烈的电子耦合转移，改变了Co ₃ O ₄ 的电子结构，降低了LiO ₂ 中间体的吸附能，从而有效降低了过电位。该工作为未来长寿命和低成本的Li-O ₂ 电池的发展提供了新的思路。

图 Co ₃ O ₄ /Fe ₂ O ₃ 纳米异质结构作为正极催化剂提高Li-O ₂ 电池反应动力学示意图

【图文导读】

图1 Co ₃ O ₄ /Fe ₂ O ₃ 作为正极催化剂用于Li-O ₂ 电池的电化学性能表征

如图所示，以Co ₃ O ₄ /Fe ₂ O ₃ 为正极催化剂的Li-O ₂ 电池，电池的过电压降低，倍率性能得到了提高，循环稳定性也得到了大幅提升，说明通过异质结构的形成可以进行材料表面工程改性，可以提高材料的催化活性，促进Li-O ₂ 电池的反应动力学，提高电池性能。

以Co ₃ O ₄ /Fe ₂ O ₃ 为正极催化剂的Li-O ₂ 电池的主要放电产物为Li ₂ O ₂ ，扫描电镜结果显示，充电后，Li ₂ O ₂ 被分解，说明电池具有良好的可逆性。

本工作首次以Co-NTA为模板制备过渡金属氧化物Co ₃ O ₄ ，并利用水热法原位生长Fe ₂ O ₃ ，制备出具有异质结的Co ₃ O ₄ /Fe ₂ O ₃ 复合材料。实验和模拟结果表明，具有异质结构的两种化合物之间存在电子相互作用，不同组分之间界面的协同作用可以优化反应物分子吸附和活化的活性位点的电子结构，改变反应途径或反应中间体的构型，重新配置电子结构和界面上可能存在的缺陷，从而大大促进反应动力学，有效降低过电位，提高电池的倍率和循环性能。本工作为设计高倍率性能和长寿命的Li-O ₂ 电池提供了新的思路。

【论文信息】

Interfacial Engineering of Co ₃ O ₄ /Fe ₂ O ₃ Nano-heterostructure Towards superior Li-O ₂ batteries.

Yajun Zhao , Wenhao Tang , Wenhong Liu , Xianghua Kong , Dawei Zhang , Hao Luo , Kewei Teng , Ruiping Liu.

DOI号：

10.1002/smll.202205532

原文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202205532

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