作者信息
第一作者: SunZhihui, Hu Yingjie
通讯作者: 张吉雄/赵帅、曾楷
通讯单位: 中国矿业大学&西南交通大学
摘 要
矿区煤矸石的不合理堆积已成为全球污染的主要来源。探索煤矸石的高价值利用已成为解决这一问题的关键方法。在此，首次报道了一种具有非晶/晶异质结构的MoO2@煤矸石催化剂，该催化剂可作为Li-O2电池的高效阴极。实验结果与密度泛函理论（DFT）分析显示，高活性的MoO2和稳定的SiO2之间的协同作用、独特的无定形/结晶异质结构以及LiO2中间物的改性界面吸附是促进其电化学性能的关键因素。这项工作为利用矿山固体废弃物设计Li-O2电池的标记电催化剂提供了一个新的视角。
研究要点
- 首次报道了MoO2@煤矸石的非晶/晶异质结构作为一种有前途的LOB的氧电极电催化剂。具有非晶态结构的煤矸石作为稳定的基底可以有效地消除MoO2的聚集，并为Li2O2的沉积提供丰富的空间。
- 基于MoO2纳米颗粒的最佳嵌入，以及活性位点的暴露和导电性能的增强，MoO2@煤矸石显示出优异的电化学性能和出色的循环寿命。通过联合实验和计算结果的深入分析，掺杂N的MoO2和稳定的SiO2之间的积极协同作用、非晶/晶异质结构和优化的LiO2中间物的吸附对提高MoO2@煤矸石的催化活性起着至关重要的作用，并具有良好的热力学和动力学性能。
- 这是第一次证明具有改性异质结构的矿山固体废弃物是一种有效的LOB阴极电催化剂。
图文速览
图1. a) MoO2@煤矸石的制备示意图；b) MoO2@煤矸石的SEM图像；c) 所制备样品的XRD图。
图2. a）TEM图像，b）SAED图案，c）HR-TEM图像，和d）MoO2@煤矸石的EDS映射图像。
图3. MoO2@煤矸石和破碎煤矸石的高分辨率C 1s a), Mo 3d b), N 1s c), O 1s d)光谱。
图4. a) LOB的工作机制；b) 在100 mA g-1的条件下，基于样品的LOB的初始完全放电/充电曲线；c) 在不同的放电/充电电流密度下，MoO2@煤矸石的LOB的速率性能；d) 在电流密度为100 mA g-1，截止容量为1000 mAh g-1时，基于催化剂的LOB的放电/充电循环稳定性。
图5. a) MoO2@煤矸石基LOB在第一次放电-充电后的EIS及其相应的模拟电路图；b) MoO2@煤矸石在第一次放电/充电循环后的Li 1s XPS光谱；c) MoO2@煤矸石基LOB在第一次循环中的机制图。
图6. a) 无定形SiO2和MoO2@SiO2的优化结构；b) 无定形SiO2和MoO2@SiO2矸石的电子状态密度（DOS）；无定形SiO2和MoO2@SiO2上吸附的LiO2的优化结构c）和吸附能量图d）。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202208145