Small║非晶/晶相异质结构MoO2@煤矸石电催化剂助力锂氧气电池

锂电联盟会长 2023-04-01 10:03

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文章信息

变废为宝：非晶/晶相异质结构MoO₂@煤矸石电催化剂用于高性能锂氧气电池研究

第一作者：孙志辉，胡应杰

通讯作者：张吉雄*，赵帅*，曾楷*

单位：中国矿业大学，南京晓庄学院，西南交通大学

研究背景

高能量密度锂-氧气电池正极充放电过程缓慢的氧气还原反应（ORR）和氧气析出反应（OER）动力学，导致电池充放电极化大、循环效率低，严重制约锂-氧气电池实际应用。开发高效、稳定ORR/OER双功能电催化剂是解决上述问题的关键。此外，如何平衡催化剂成本与催化活性是锂-氧气电池电极材料研究的瓶颈之一。

煤矸石作为煤炭开采和洗选过程中产生的一种固废，其不合理排放和无序堆积不仅存在自燃、爆炸等安全问题，还容易诱发一系列环境污染问题。研究发现煤矸石具有独特片状结构的多种活性组分，并且表面存在大量吸附位点和羟基官能团，是构造锂-氧气电池低成本、高活性电催化剂的理想前驱体。然而，煤矸石储能化设计目前处于起步阶段，其在锂-氧气电池中的合理利用仍存在较大挑战，尚面临许多关键科学问题亟待解决。

文章简介

基于此，中国矿业大学张吉雄教授/赵帅博士&西南交通大学曾楷博士报道通过酸/碱静置活化和水热法成功制备了具有非晶/晶相异质结构MoO₂@煤矸石复合材料，并成功应用于锂-氧气电池。基于对无定形煤矸石基底和纳米MoO₂晶体理性设计，获得具有热力学和动力学稳定的高活性MoO₂@煤矸石正极催化剂，在锂-氧气电池中表现出优异的电化学性能（初始放电容量：9748 mAh g⁻¹；循环性能：> 2200 h）。

实验结合密度泛函理论（DFT）分析揭示MoO₂@煤矸石复合材料的高活性归因于以下三个关键因素：N掺杂的MoO₂颗粒与煤矸石基底的协同、非晶相/晶相异质结构以及有效改善中间产物LiO₂吸/脱附能。本论文首次报道煤基固废煤矸石被应用于电化学储能，为煤矸石功能化利用提供新的思路。该论文发表于国际知名期刊Small（IF: 15.153），孙志辉博士、胡应杰博士为论文第一作者。

图1. 图片摘要。

本文要点

要点一：

采用酸/碱静置活化结合水热法成功将晶相N-MoO₂纳米颗粒锚定在非晶煤矸石表面。非晶态煤矸石提供稳定的基底结构， N掺杂的MoO₂纳米颗粒提供优异的电化学活性，具有很强的协同增效作用。

图2. MoO₂@煤矸石催化剂制备示意图及形貌、物相分析。

图3. MoO₂@煤矸石催化剂形貌、结构表征。

要点二：

MoO₂@煤矸石电催化剂呈现出独特的无定形-结晶相异质结构。该结构一方面有利于暴露丰富的电化学活性位点，另一方面有利于电解液的完全渗透和放电产物的充分堆积。同时，MoO₂与煤矸石表面SiO₂之间具有强电子耦合作用，可以有效优化催化剂表面电子结构和局部配位环境。

图4. MoO₂@煤矸石催化剂XPS分析。

图5. MoO₂@煤矸石催化剂在锂-氧气电池中的电化学性能

要点三：

DFT计算表明， N掺杂的 MoO₂纳米晶体可以有效地提高材料的电子导电性和对中间产物LiO₂的吸附能力；煤矸石表面SiO₂非晶体的存在可以充当“稳定剂”，提高MoO₂的结构稳定性。MoO₂-SiO₂特殊异质结构的形成有助于降低电荷转移的能垒，增强对放电中间产物的吸附。

图5. DFT理论分析

文章链接

Turn "waste" into wealth: MoO₂@coal gangue Electrocatalyst with amorphous/crystalline heterostructure for Efficient Li-O₂ batteries

https://doi.org/10.1002/smll.202208145

通讯作者简介

张吉雄，中国矿业大学教授，博士生导师。

2008年6月获中国矿业大学工学博士学位，2014年9月至2015年9月在美国南伊利诺伊大学做访问学者。2016年12月起担任中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室副主任，2019年1月起担任矿业工程学院院长、党委副书记，2022年9月起任中国矿业大学党委常委、副校长。研究方向为：矿山绿色功能材料。

发表高水平学术论文100余篇，2020、2021、2022年连续入选Elsevier矿业工程领域中国高被引学者；主持国家重点研发计划项目、国家111计划创新引智基地、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目等科研项目30余项；获国家技术发明二等奖及省部级科技进步一等奖等6项，获授权国家发明专利80余件；出版学术专著2部，主编教材2部；制定国家或行业标准9项；享受国务院政府特殊津贴专家，先后入选国家重大人才工程项目、科技部中青年科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才及江苏省有突出贡献中青年专家等。

赵帅，中国矿业大学讲师，硕士生导师

2020年6月获吉林大学工学博士学位，同年7月入职中国矿业大学矿业工程学院，2021年3月进入中国矿业大学矿业工程学院博士后科研流动站从事非常规能源清洁提质工艺研究。发表学术论文20余篇，参与国家重点研发计划及国家自然科学基金项目4项，主持省部级以上科研项目4项，获得国家发明专利4项。

曾楷，西南交通大学讲师

2017.9-2022.6，于苏州大学获理学博士学位（硕博连读）。同年7月进入西南交通大学工作。研究方向为：新能源材料的基础和应用研究（电解水制氢、氢氧燃料电池膜电极、金属-空气电池等），先后在Advanced Functional Materials, Advanced Energy Materials, Energy Storage Materials, Small, Applied Catalysis B: Environmental, Chemical Engineering Journal, ACS Applied Material Interfaces等期刊发表SCI收录论文10余篇，其中第一作者/通讯作者论文8篇，ESI高被引论文3篇，授权中国发明专利2项。担任Small, Chemical Engineering Journal等期刊审稿人。

第一作者简介

孙志辉，中国矿业大学博士后

2016.9-2021.6，于苏州大学获理学博士学位。2021.7月进入中国矿业大学工作。研究方向为：矿山功能材料和高比能储能器件研究（热电协同转化；固废原位改性处置，锂空气电池研发等），先后在Advanced Energy Materials, Applied Catalysis B: Environmental, ACS Nano, Small, Journal of Materials chemistry A, ACS Applied Material Interfaces等期刊发表SCI收录论文10余篇，其中第一作者论文8篇。

锂电联盟会长向各大团队诚心约稿，课题组最新成果、方向总结、推广等皆可投稿，请联系：邮箱libatteryalliance@163.com。

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