Electrocatálisis bifuncional mejorada de VN a través de ingeniería de banda D para baterías recargables de Zn-Air

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Catálisis

Sus antecedentes:

• Los catalizadores basados en nitruro de vanadio (VN) exhiben una actividad limitada en las reacciones de reducción y evolución de oxígeno debido a la densidad d-electrónica insuficiente en los átomos V.
• Esta restricción dificulta la cinética eficiente y el rendimiento general en aplicaciones de conversión de energía.

Objetivo del estudio:

• Mejorar la actividad catalítica de VN empleando el dopaje de cobalto (Co) para modular las características electrónicas de los átomos V.
• Investigar el impacto de la co-dopaje en los orbitales d y la energía libre de la VN para mejorar el rendimiento catalítico.

Principales métodos:

• La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y la estructura de absorción de rayos X cerca del borde (XANES) se utilizaron para analizar la estructura electrónica y el enlace de VN Co-dopado.
• Se realizaron cálculos de la Teoría Funcional de Densidad (DFT) para comprender el mecanismo de co-dopaje en los intermediarios de reacción y las barreras de energía de activación.
• Se realizaron mediciones electroquímicas para evaluar el rendimiento catalítico en la reacción de reducción de oxígeno (ORR) y la reacción de evolución de oxígeno (OER).

Principales resultados:

• XPS y XANES confirmaron que los átomos Co sustituyen a los átomos V y forman fuertes enlaces con N, regulando efectivamente la estructura electrónica local.
• El análisis de DFT reveló que el co-dopaje optimiza la adsorción/desorción de los intermediarios ORR a través de la transferencia de electrones d y reduce la energía de activación del paso que determina la velocidad.
• El catalizador V_0.95Co_0.05N/NC/C demostró un bajo índice bifuncional (0.78 V), con un alto potencial de media onda ORR (0.83 V) y un bajo sobrepotencial OER (380 mV a 10 mA cm^-2).

Conclusiones:

• El dopaje con cobalto es una estrategia eficaz para mejorar la actividad catalítica del nitruro de vanadio para las reacciones relacionadas con el oxígeno.
• La estructura electrónica modulada y las interacciones intermedias optimizadas conducen a un rendimiento catalítico bifuncional superior.
• El catalizador Co-doped VN muestra una estabilidad prometedora y una alta capacidad específica en baterías de aire-Zn, lo que indica potencial para dispositivos prácticos de conversión de energía.