乔世璋/凌涛/胡振芃：新型 V 系氧化物 Co2VO4 应用于高效氧还原反应

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▲ 第一作者： 母川；共同通讯作者：  凌涛、胡振芃、乔世璋  

通讯单位：天津大学、南开大学、阿德莱德大学 
DOI: 10.1002/adma.201907168  

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过渡金属氧化物是常见的电催化剂。然而，它们往往受到电子传输和催化能力的限制。天津大学凌涛教授团队制备了一种新型的 V 系氧化物 Co2VO4，兼具高的本征导电性和优异的催化活性。

背景介绍
在燃料电池、金属空气电池等再生能源技术中，过渡金属氧化物是最有希望替代贵金属的催化剂。Shao-Horn 等人提出氧化物活性与过渡金属阳离子 eg电子填充数密切相关。随后，研究者通过减小材料尺寸/晶体尺寸，杂原子掺杂和缺陷工程调节氧化物的 eg 电子填充。然而，这些氧化物材料的实际应用仍然受限于氧化物低的电导率。在碳材料上原位合成氧化物催化剂是解决低电导率的一种有效方法，然而氧化物的本征导电性并没有增加。

钒系氧化物是一类特殊的材料。在这类材料中，d-d 电子关联(通过阳离子-阳离子相互作用调制)决定了 d 电子是定域还是巡回的。Goodenough 提出，当 V-V 距离小于 2.97 Å 的临界距离时，d 电子沿 V-V 原子链传输，氧化物呈现金属性行为。如果将钒与电化学活性的过渡金属阳离子的结合，可以同时实现高本征导电性和优化 eg 电子填充。

本文亮点
作者设计了一种新型的 V 系氧化物 Co2VO4，兼具高的本征导电性和优化的 eg 电子数，获得了优异的 ORR 活性。作者将 Co2VO4 电极应用于金属-空气电池，峰值功率密度达到 380 mW cm−2，是目前文献报道的最高值。

图文解析
Co2VO4 晶体结构：反尖晶石结构，一半 Co2+ 离子占据氧八面体，另一半 Co2+ 离子占据氧四面体；V4+ 离子占据氧八面体。V 原子链中 V-V 间距为 2.965 Å，小于临界值 2.97 Å（图1）。
                                               
▲ 图1. Co2VO4 晶体结构

Co2VO4 电子结构：导电性测量结果证实，与单一的钴氧化物相比，Co2VO4 的导电率增加了 3~6 个数量级（图2a）。实验和模拟电子能量损失谱结果表明，氧八面体中的 Co2+ 离子处于低自旋状态，3d 电子构型为 t2g6eg1，只有一个 eg 电子（图2b-2d）。

▲ 图2. Co2VO4 电子结构

催化理论和实验研究：DFT 计算揭示（图3a），对于高自旋 Co2+，决速步骤为 *OOH 的形成，能垒为 0.94 eV；对于低自旋 Co2+，中间产物吸附增强，*OOH 的形成明显得到改善。此时，限制步骤是 *OH 的解吸，其能垒小得多，为 0.59 eV。这些计算结果表明，ORR 反应途径和催化活性与 Co2+ 的自旋态密切相关，氧八面体中 Co2+ 低自旋状态更有利于 ORR 热力学。因此，Co2VO4 获得了优异的 ORR 性能（图3b - 3d）。

▲ 图3. Co2VO4 的理论和实验研究
金属-空气电池性能研究：由于具有高的 ORR 本征活性和导电性， Co2VO4 电极在 0.67 V 时其峰值功率密度达到 380 mW cm−2。这个值显著大于 Pt/C 催化剂和最近报道的金属、金属氧化物和碳催化剂电极。

总结与展望
作者成功地合成了一种新的尖晶石 Co2VO4 催化剂—将V原子链与低自旋 Co2+ 结合，从而显著提高了氧化物的导电性和催化活性，获得了优异的 ORR 性能。这种策略有望拓展氧化物催化剂在其它电催化领域的应用。

参考文献

  • Mu C, Mao J, Guo J, Guo Q, Li Z, Qin W, Hu Z P*, Davey K, Ling T*, Qiao S Z*. Rational design of spinel cobalt vanadate oxide Co2VO4 for superior electrocatalysis. Adv. Mater. 2020, 32, DOI: 10.1002/adma.201907168.

  • Ling T, Yan D Y, Wang H, Jiao Y, Hu Z P, Zheng Y, Zheng L R, Mao J, Liu H, Du X W, Jaroniec M, Qiao S Z*. Nat. Commun. 2017, 8, 1509.

  • Ling T, Yan D Y, Jiao Y, Wang H, Zheng Y, Zheng X L, Mao J, Du X W*, Hu Z P*, Jaroniec M, Qiao S Z*. Nat. Commun. 2016, 7, 12876.

  • Ling T, Da PF, Zheng XL, Ge BH, Hu ZP, Wu MY, Du XW, Hu WB, Jaroniec M, Qiao SZ*. Sci. Adv. 2018, 4, eaau6261.

  • Ling T*, Zhang T, Ge B, Han L, Zheng L, Lin F, Xu Z, Hu W-B, Du X-W, Davey K, Qiao S Z*. Adv. Mater. 2019, 31, DOI: 10.1002/adma.201807771.

  • Li Y-J, Cui L, Da P-F, Qiu K-W, Qin W-J, Hu W-B, Du X-W, Davey K, Ling T*, Qiao S-Z. Adv. Mater. 2018, 30, 1804653.

  • Meng C, Ling T*, Ma T Y, Wang H, Hu Z P, Zhou Y, Mao J, Du X W, Jaroniec M, Qiao S Z*. Adv. Mater. 2017, 29, 1604607.

  • Zhang T, Wu M-Y, Yan D-Y, Mao J, Liu H, Hu W-B, Du X-W, Ling T*, Qiao S Z*. Nano Energy 2018, 43, 103-109.


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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201907168


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