【文章概述】

设计高活性双功能氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）催化剂引起了金属-空气电池领域人员的极大兴趣。在此，通过在表面引入非贵金属（如 Fe/Co/Ni），提出了一种有效的解决方案来寻找基于 MXene 的双功能催化剂。这些结果表明，Ni1/Ni2-和 Fe1/Ni2 改性的 MXene 基双原子催化剂（DAC）对双功能 ORR/OER 的超高活性优于众所周知的具有低过电位的单功能催化剂，如 Pt (111)ORR 和 IrO2(110) 用于 OER。一种基于密度泛函理论和理论极化曲线的电化学模型来揭示潜在的机制，与实验结果一致。电子结构分析表明，基于 MXene的DAC的优异催化活性归因于电子-Fe/Co/Ni 吸附剂和 MXene 底物之间的捕获能力和协同相互作用。这些发现不仅揭示了基于 MXene 的双功能ORR/OER 催化剂的有希望的候选者，而且还为合理设计不含贵金属的双功能 DAC 提供了新的理论见解。

【成果简介】

北京航空航天大学材料科学与工程学院的张瑞丰课题组制备一种基于MXene项的双原子催化剂，具有双功能催化性能ORR/OER的催化剂，不仅具有长效的稳定性还具有高的催化活性，为金属-空气电池和合理设计不含贵金属的双功能 DAC 提供了新的理论见解。该材料符合奇材馆理念，后续开发值得期待！

【文章亮点】

（1）、基于MXene项制备出双原子催化剂；

（2）、这种催化剂具有双功能ORR/OER催化性能；

（3）、不仅具有长效的稳定性还具有高的催化活性，还为金属-空气电池和合理设计不含贵金属的双功能 DAC 提供了新的理论见解；

【图文导图】

图一 a）可充电金属-空气电池的示意图。

b) 基于Ti2CO2的Fe/Co/Ni-DAC的构象机制以及在水性电解质中的电催化反应。

图二 a) 吸附在 Ti2CO2（条形）和 Ti2CO（2-x）（彩色圆圈和虚线）顶部、fcc 和 hcp 位点上的三个金属原子的吸附能。

b) 4 × 4 电池结构的四个不同的氧空位和四个不同的相邻吸附位点。

c) 六对金属原子吸附在提到的八个DAC位点上，相对 Ead（气泡高度）和从金属原子到 MXenes（气泡半径）的电荷转移数 (qe)。

d) 通过AIMD计算的六种吸附原子组合的五个MXene位点表面金属原子和最近邻O原子的吸附键长。

e) Fe/Co 吸附的 Ti2CO2 的计算表面普贝图。

图三 a) 双功能OER/ORR的OER 反应（橙色箭头）、ORR反应（蓝色箭头）和理论极化曲线。

b) 计算不同AC的反应电位E_OER、E_ORR 和ΔE。

c、d) 计算了 Ni-SAC、Ni1&Ni2-和Fe1&Ni2-DAC沿4e−途径向OER（正向）和ORR（反向）的基本反应步骤的吉布斯自由能差ΔG。

图四 a) ORR和OER 的动力学反应过程示意图。

b、c) 九个ACs-Ti2CO2的ORR (b)和OER (d)中反应过程的动力学步骤和最高能量势垒的计算能量势垒。

图五 a) 与 ΔG*OH 相比，计算出的每个步骤的 ΔG 变化。

b) 与典型的OER催化剂 IrO2(110)表面相比，不同AC的计算 η_OER。

 c) 与典型的ORR催化剂 Pt(111)表面相比，不同AC的计算 η_ORR。

 d) 吸附金属原子的d轨道的DOS和不同AC的3d E_d（虚线）的变化。

 E、f) 双功能电位差ΔE随 E_d (e)和AC的功函数(Φ ) (f)的变化。

图六 a)六个DAC的拉伸应力-应变曲线和压缩应力-应变曲线。

b)当应变施加到铁/镍-和镍/镍-金刚石复合片上时，反应的能量随着应变的大小而变化。

c、d)施加应变时DAC的ORR性能(c)和双功能活性(d)的变化。

图七 a) 催化剂电子结构与表面应变之间的关系。

b-d) 在不同应变下：b) E_d 作为应变的函数，

c) 双功能活性ΔE作为E_d的函数，以及d)计算的 E_d 随电荷转移数 Δe的变化。

【奇材馆点评】

两种 DAC（Ni1/Ni2- 和Fe1/Ni2-DAC）表现出最具有低 η_ORR 和η_OER 和最低的 ΔE，尤其是对于Ni1/Ni2-Ti2CO2，甚至优于具有里程碑意义的 Pt(111) 和 IrO2(110)催化剂。 DACs的高催化活性主要出现在来自TM原子​​和氧功能之间的电子转移。此外，应变效应对双功能验证了活性炭的催化性能，结果表明 ΔE逐渐降低，双功能​​OER/ORR 催化性能随着应变的增加而提高。此外，还介绍了 E_d 来描述这种关系催化性能和电子态密度之间的关系催化材料不同。最后，我们绘制了极化图基于DAC的双功能催化曲线使用计算结果和计算的理论模型将它们与实验曲线分开以直观地展示所研究的优异的双功能催化性能数模转换器。本研究提出了改善OER/通过优化MXenes的ORR双功能催化活性表面电子结构并提供新的机会MXenes 在水性金属-空气电池中的应用。

【论文信息】

转载本文请联系奇材馆获取授权，同时请注明本文来自奇材馆奇材进展。 

链接：www.wowmaterials.com/article.php