Bifunctional Catalytic Activity Guided by Rich Crystal Defects in Ti3C2 MXene Quantum Dot Clusters for Li–O2 Batteries

双功能 材料科学 过电位 量子点 催化作用 化学工程 Crystal(编程语言) 纳米技术 密度泛函理论 MXenes公司 物理化学 电极 计算化学 化学 电化学 工程类 生物化学 程序设计语言 计算机科学
作者
Peng Wang,Danyang Zhao,Xiaobin Hui,Zhao Qian,Peng Zhang,Yingying Ren,Yue Lin,Zhiwei Zhang,Longwei Yin
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:11 (32) 被引量:81
标识
DOI:10.1002/aenm.202003069
摘要

Abstract Ameliorating round‐trip efficiency and mitigating parasitic reaction play a key role in enhancing the activity and durability of lithium–oxygen batteries. Herein, it is first reported that Ti 3 C 2 MXene quantum dot clusters full of rich crystal defects anchored on N‐doped carbon nanosheets (Ti 3 C 2 QDC/N‐C) can operate well as bifunctional catalyst for Li–O 2 batteries. The well‐defined grain boundary and edge defects make crucial contributions in modulating the local unsaturated coordination state of active titanium atoms and thus the electronic structure of Ti 3 C 2 QDC/N‐C, greatly enhancing the catalytic capability. Furthermore, density functional theory calculations disclose that the fruitful crystal defects governed catalytic centers endow substantial benefits for inducing charge density delocalization, regulating the Li x O y intermediate adsorption and reducing the oxidation‐reduction energy barriers. The geometric morphology and distribution of final Li 2 O 2 accommodations are distinctly altered with optimized decomposition reversibility, which strengthens electro‐catalytic kinetics and lowers redox voltage gaps. As expected, Li–O 2 cells based on Ti 3 C 2 QDC/N‐C show favorable long‐period stability (240 cycles at 200 mA g −1 ) with minimal side reactions and distinguished discharge/charge overpotential (0.62 V). Critically, this crystal defect strategy paves a new way for expanding the active sites in MXenes for catalytic applications.
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