The Critical Role of Atomic‐Scale Polarization in Transition Metal Oxides on Vanadium‐Redox Electrochemistry

材料科学 空位缺陷 氧化还原 电化学 过渡金属 化学物理 极化(电化学) 原子单位 氧化钒 纳米技术 无机化学 电极 催化作用 物理化学 结晶学 化学 冶金 物理 量子力学 生物化学
作者
Xiangyang Zhang,Kelong Ao,Jihong Shi,Xian Yue,Agnes Valencia,Xingyi Shi,Weijun Zhou,Fei Liu,Weilu Li,Walid A. Daoud
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adma.202420510
摘要

Abstract Transition metal oxide electrocatalysts (TMOEs) are poised to revive grid‐scale all‐vanadium redox flow batteries (VRFBs) due to their low‐cost and unique electronic properties, while often inescapably harboring surface vacancies. The role of local vacancy‐induced physicochemical properties on vanadium‐redox electrochemistry (VRE), encompassing kinetics, and stability, remains profoundly unveiled. Herein, for the first time, it is revealed that vacancies induce atomic‐scale polarization in TMOEs and elucidate its mechanism in VRE. Attributable to local polarization, particularly by cation vacancy, the activated nearest‐coordinated Mn sites prominently augment the adsorption competence of the V 2+ /V 3+ couple and expedite its round‐tripping by forming an intermediate *Mn–O–V bridge. It is also affirmed that the anion vacancies are vulnerable to microstructure reconfiguration by feeble hydroxyl adsorption and thus performance degradation over long‐term cycling, in contrast to cation vacancies. Accordingly, the VRFB employing cation‐vacancy‐functionalized electrode delivers an energy efficiency of 80.8% and a reliable 1000‐cycle lifespan with a negligible decay of 0.57% per cycle at 300 mA cm −2 , outclassing others. The findings shed light on the fundamental rules governing the utility and evolution of vacancies in TMOEs, thereby moving a step closer toward their deployment in a wide range of sustainable energy storage schemes.
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