Advanced Materials:新型的V系氧化物Co2VO4应用于高效氧气还原反应

用于各种电化学能源设备的成本低廉、性能优越的催化剂是学术界和工业界的研究热点。目前过渡金属氧化物因为具有成本效益且地球储量丰富的优势,被认为最可能替代商用贵金属催化剂,在可再生能源技术中的大规模应用。研究者通过调节电子结构,减小材料尺寸,掺杂和缺陷工程等方法优化氧化物的催化活性。此外,氧化物材料的实际应用还受限于其较低的电导率。

钒系氧化物是一类强电子关联材料。Goodenough提出,当V-V距离小于2.97 Å的临界值时,d电子将沿V-V原子链传输,使得氧化物呈现金属性行为。因此,如果将钒与高电化学活性的过渡金属结合,将为设计氧化物电催化剂提供一种新的策略。

近日,天津大学凌涛教授和澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授合作报道了一种新型的V系氧化物 Co2VO4。Co2VO4呈反尖晶石结构,一半Co2+占据氧八面体位点,另一半Co2+占据氧四面体位点。实验和理论计算结果表明,八面体位置的Co2+呈低自旋状态,eg填充一个电子(t2g6eg1),这种电子结构非常有利于ORR热力学。电学测量证实,Co2VO4中V-V的间距为2.965 Å,与单一的钴氧化物CoO和Co3O4相比,其电导率增加了几个数量级。得益于Co2VO4理想的电子结构,高电导率和有利的微米/纳米结构,以其作为空气阴极催化剂的锌空电池实现了380 mW cm-2的放电峰值功率密度,是目前文献报道的最高值。

研究者们相信,将导电V原子链与高电化学活性的金属原子结合,从而显著提高氧化物的导电性和催化活性的催化剂设计策略,将有望拓展氧化物催化剂在其它电催化领域的应用,如氧气析出反应和氢气析出反应等。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201907168)上。