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Rational Design of Spinel Cobalt Vanadate Oxide Co2VO4 for Superior Electrocatalysis

材料科学 氧化物 催化作用 尖晶石 氧化钴 钒酸盐 无机化学 化学工程 电化学能量转换 电催化剂 电化学 氧化钒 化学 电极 冶金 物理化学 工程类 生物化学
作者
Chuan Mu,Jing Mao,Jiaxin Guo,Qianjin Guo,Zhi‐Qing Li,Wen‐Jing Qin,Zhenpeng Hu,Kenneth Davey,Tao Ling,Shi Zhang Qiao
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:32 (10) 被引量:164
标识
DOI:10.1002/adma.201907168
摘要

Electrochemical energy devices, such as fuel cells and metal-air batteries, convert chemical energy directly into electricity without adverse environmental impact. Attractive alternatives to expensive noble metals used in these renewable energy technologies are earth-abundant transition metal oxides. However, they are often limited by catalytic and conductive capabilities. Here reported is a spinel oxide, Co2 VO4 , by marrying metallic vanadium atomic chains with electroactive cobalt cations for superior oxygen reduction reaction (ORR)-a key process for fuel cells, metal-air batteries, etc. The experimental and simulated electron energy-loss spectroscopy analyses reveal that Co2+ cations at the octahedral sites take the low spin state with one eg electron (t2g6eg1) , favoring advantageous ORR energetics. Measurement of actual electrical conductivity confirms that Co2 VO4 has several orders of magnitude increase when compared with benchmark cobalt oxides. As a result, a zinc-air battery with new spinel cobalt vanadate oxide as the ORR catalyst shows excellent performance, together with a record-high discharge peak power density of 380 mW cm-2 . Crucially, this is superior to state-of-the-art Pt/C-based device and is greatest among zinc-air batteries assembled with metal, metal oxide, and carbon catalysts. The findings present a new design strategy for highly active and conductive oxide materials for a wide range of electrocatalytic applications, including ORR, oxygen evolution, and hydrogen evolution reactions.
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