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Highly Efficient Nb2C MXene Cathode Catalyst with Uniform O‐Terminated Surface for Lithium–Oxygen Batteries

材料科学 过电位 化学工程 催化作用 密度泛函理论 阴极 锂(药物) 电化学 析氧 MXenes公司 纳米技术 电极 物理化学 计算化学 化学 内分泌学 工程类 医学 生物化学
作者
Gaoyang Li,Na Li,Shuting Peng,Biao He,Jun Wang,Yong Du,Weibin Zhang,Kai Han,Feng Dang
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:11 (1) 被引量:172
标识
DOI:10.1002/aenm.202002721
摘要

Abstract Highly‐efficient cathode catalysts are the key to improve high rate cycle stability, avoid side reactions, and lower the overpotential of lithium–oxygen batteries (LOBs). MXenes are predicted to be one of the most impressive materials for energy applications. In this work, the catalytic capability of Nb 2 C MXene is demonstrated with a uniform O‐terminated surface as a cathode material for LOBs. The easily fabricated uniform O‐terminated surface, high catalytic activity of Nb 2 CO 2 sites, and unique reaction kinetics contribute to the excellent electrocatalytic performance of Nb 2 C MXene. The uniform O‐terminated surface on Nb 2 C MXene is obtained after heat treatment. Density functional theory calculations reveal the superior catalytic activity of Nb 2 CO 2 compared to other anchor groups and bare surfaces. The calculations also reveal the multinucleation and growth/decomposition mechanism for discharge products on the Nb 2 CO 2 surface. This mechanism is believed to account for the results characterized by ex situ and in situ measurements. The spatial‐direction accumulated porous discharge products at high current density contribute to the excellent high‐rate cycle stability. For example, the cathodes exhibit cycle stability for 130 cycles at an ultrahigh current density of 3 A g −1 . The present work provides insights into the modulation of catalytic capabilities, and the rational design of high‐performance MXenes based electrocatalysts.
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