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成都理工Small:N掺杂调节Ti3C2 MXene中Ti 3d轨道占据,以促进Li-O2电池中的氧电极反应

合理设计高效的催化剂是促进锂氧(Li-O2)电池中氧电极反应动力学发展的关键。基于此,成都理工大学舒朝著教授(通讯作者)等人用水热法制备了N掺杂Ti3C2 MXene (N-Ti3C2(H))作为高效的锂氧电池催化剂。


N掺杂增加了N-Ti3C2(H)的无序度,提供了丰富的活性位点,有利于放电产物Li2O2的均匀形成和分解。
此外,密度泛函理论(DFT)计算表明,N的引入可以有效地调节Ti在N-Ti3C2(H)中的3d轨道占据,促进Ti 3d轨道与O 2p轨道之间的电子交换,加速氧电极反应。
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通过DFT计算了O2、LiO2、Li2O2和(Li2O2)2在Ti3C2、N-Ti3C2(A)和N-Ti3C2(H)上的吸附构型及氧电极反应的自由能图。
其中,OER和ORR的速率限制步骤分别为(Li2O2)2团簇的分解((Li2O2)2* → 2(Li+ + e) + Li2O2* + O2)和Li2O2的生成(3(Li+ + e) + LiO2* ↔ 2(Li+ + e) + Li2O2*)。
结果表明,N-Ti3C2(H)具有合适的吸附能和对O2的电荷转移数,表明其具有良好的电催化活性。
投影态密度(PDOS)图表明,N-Ti3C2(A) (0.95 eV)和N-Ti3C2(H) (0.17 eV)的带隙比Ti3C2 (1.18 eV)要窄,N-Ti3C2(H)的Ti 3d轨道受到表面掺杂N的有效调节,表明N-Ti3C2(H)的电导率有所提高。
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此外,还通过晶体轨道哈密顿布居(COHP)分析研究了Ti-O键的成键和反键态。与Ti3C2相比,N-Ti3C2(A)和N-Ti3C2(H)的Ti-O反键态向更高的能级发生位移,并且N-Ti3C2(A)反键态的位移程度低于N-Ti3C2(H),这表明N-Ti3C2(H)中Ti和O原子之间存在较强的耦合。
N掺杂可以有效地调节Ti 3d轨道占据,增加Ti3+的含量,而Ti3+可以在从O2中接受电子的同时将电子转移到O2上,这有利于促进O2的活化。
Adjusting the 3d Orbital Occupation of Ti in Ti3C2 MXene via Nitrogen Doping to Boost Oxygen Electrode Reactions in Li-O2 Battery. Small2022, DOI: 10.1002/smll.202206611.
https://doi.org/10.1002/smll.202206611




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