清华大学化学工程系化工热力学实验室于养信教授团队使用密度泛函理论计算发现具有不同氧空位浓度的 2D-Nb₂O₅对锂-氧气和钠-氧电池反应表现出不同的催化性能，并从微观机制层面剖析其内在原因。

面对严峻的环境问题和化石燃料的短缺，人们付出了巨大的努力，追求环境友好、大容量的下一代储能装置。金属-氧气电池的研究，特别是锂-氧气与钠-氧气电池，开辟了能源器件研究的新纪元。目前有关该电池催化剂的报道很多，然而，大量报道聚焦于追求高性能与高容量而忽视了电池中的具体的反应机理。

清华大学化学工程系李嘉辉和于养信教授利用密度泛函理论，计算研究了2D-Nb₂O₅电极催化剂上氧空位在锂-氧气与钠-氧气电池反应中发挥的作用。通过分析，原始的 Nb₂O₅ 可以促进锂的氧还原反应 (ORR)，生成Li₂O₂，并进一步催化Li₂O₂形成深度还原产物Li₄O₂。但其催化 NaO₂ 的形成反应的能垒很大，阻碍了钠-氧气电池中的还原反应。通过在底物上引入氧空位，Nb₂O₅ 的催化性能得到了改善。氧缺陷的Nb₂O₅在合适的充放电电压下均能促进Li₂O₂和Na₂O₂的形成，这与层间空间中锂和钠扩散能垒的变化有关。此外，氧缺陷的 Nb₂O₅ 可以有效抑制释放活性氧气分子（即单线态氧）的副反应发生。此外，该研究还发现不同氧缺陷浓度下的Nb₂O₅ 的催化性能与其 d 带中心密切相关。该研究阐明了氧空位对锂-氧气和钠-氧气电池反应的影响，并为通过氧缺陷改变材料的催化性能提供了启示。