Appl. Catal. B：钒掺杂！复合催化剂实现高效氧反应

下一代储能系统是现代生活和人类社会中电子设备的最重要组成部分。锌-空气电池(ZABs)作为众所周知的经济型储能设备，具有低成本、高能量密度和安全等优点，然而ZAB的性能受到两个关键氧反应的限制，即放电过程中的氧还原反应(ORR)和充电过程中的析氧反应(OER)。

铂族金属(PGM)作为目前最高效的ORR和OER电催化剂，却存在高成本和稳定性差等问题，并且在空气阴极中使用两种不同的催化剂(OER和ORR)还有可能会增加应用成本。因此，研究人员需要制备高效、低成本的空气阴极电催化剂，以提高ZABs的ORR和OER活性，进而提高ZABs的性能。

基于此，全北国立大学Nam Hoon Kim和Joong Hee Lee(共同通讯)等人制备了独特的V掺杂Fe₂P/FePO_x@PG晶体/非晶复合纳米结构催化剂(V-Fe₂P/FePO_x@PG)，该催化剂具有优异的OER和ORR性能。

为了测试催化剂的ORR性能，本文在饱和N₂和O₂中利用三电极体系对催化剂进行了电化学测试。测试结果表明，在N₂饱和溶液中，催化剂的循环伏安曲线没有出现氧化还原峰，而在O₂饱和溶液中出现了明显的峰，这有力的表明了V-Fe₂P/FePO_x@PG催化剂具有较高的ORR活性。

此外，通过线性扫描伏安(LSV)极化曲线可以发现，V-Fe₂P/FePO_x@PG催化剂的半波电位为0.84 V，与Pt/C催化剂的半波电位(0.89 V)相当，并且优于Fe₂P/FePO_x@PG(0.80 V)和PG(0.77 V)。

更加重要的是，V-Fe₂P/FePO_x@PG的扩散限制电流高达约6.03 mA cm^-2，超过了Pt/C(5.45 mA cm^-2)、Fe₂P/FePO_x@PG(4.69 mA cm^-2)以及PG(4.03 mA cm^-2)，这清楚地表明V的掺入可以促进催化剂表面O₂的活化，从而提高催化剂的ORR性能。

催化剂的OER性能对ZABs的充电过程和储能性能同样有一定影响。不出所料，V-Fe₂P/FePO_x@PG催化剂表现出270 mV的小OER过电位，这优于最先进的RuO₂(284 mV)，Fe₂P/FePO_x@PG(327 mV)和PG(395 mV)以及文献中用于OER的其他过渡金属催化剂。基于V-Fe₂P/FePO_x@PG优异的ORR和OER性能，由V-Fe₂P/FePO_x@PG组成的ZABs也不负众望的展现出超高的功率密度(137 mW cm^-2)和长期稳定性，优于Pt/C+RuO₂。

之后，本文通过密度泛函理论(DFT)计算，深入理解了V-Fe₂P/FePO_x@PG催化剂的电化学性能，构建并优化了V-FePO₄、V-Fe₂P/FePO₄、V-Fe₂P的结构模型。计算后发现，在费米能级上，V-Fe₂P/FePO₄比V-Fe₂P和V-FePO₄显示出更高的态密度，这表明异质结构V-Fe₂P/FePO₄具有足够高的电导率，可以增加电子从核到壳的转移以及催化剂界面的电荷转移，这是催化剂展现出优异的催化性能的重要原因之一。

更重要的是，在U=0 V时，V-Fe₂P/FePO₄的速率决定步骤能垒较小，仅为0.32 eV，优于V-Fe₂P(0.65 eV)和V-FePO₄(0.91 eV)，这些结果表明在V-Fe₂P/FePO₄中存在V-Fe₂P和V-FePO₄之间的协同作用，降低了催化剂OER和ORR所需的过电位，进而有效的提高了催化剂的电化学性能。总之，本文的研究结果和制备策略可为设计和开发具有高电化学性能和优异稳定性的双功能电催化剂提供一种新颖且经济有效的方法。

Vanadium tunning amorphous iron phosphate encapsulated iron phosphide on phosphorous-doped graphene promoted oxygen reactions for flexible zinc air batteries, Applied Catalysis B: Environmental, 2023, DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.122674.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122674.

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Appl. Catal. B：钒掺杂！复合催化剂实现高效氧反应

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