Fe-V2O5-n/rGO异质结构中铁调控的D带中心优化碘吸附-解吸动力学实现超长循环锌碘电池

研究简介

单质碘本身较低的电导率及其较慢的氧化还原动力学是阻碍水系锌碘电池商业化的两大障碍。这些挑战可以通过调节活性材料中碘离子的吸附-解吸平衡来解决。本研究提出了一种“电子调控”和“相变工程”的协同策略来优化催化吸附-解吸动力学。双设计的Fe离子掺杂VO2-x异质结构锚定在还原氧化石墨烯上（Fe-VO2-x/rGO），可以同步调节碘吸附并提高氧化还原动力学。Fe诱导的电子结构调控提高了钒的d带中心，创造了催化位点来促进碘离子的解吸并促进其扩散。同时，异质结构内从VO2-x到V2O5-n的相变建立了三维导电网络，与rGO协同作用，确保离子/电子的快速传输。这种“吸附-催化-传输”协同机制使Fe-VO2-x/rGO正极在20Ag-1电流密度下经过60,000次循环后仍保持81.48%的超高容量保持率，超越了最先进的锌碘体系。该研究为在转换型电池中通过电子和晶体学双重调控来控制界面动力学提供了范例。

图文导读

图示1. 催化机理示意图。

图1.a)Fe-VO2-x/rGO和VO2-x/rGO的XRD图。b)Fe-VO2-x/rGO和VO2-x/rGO的拉曼光谱图。c)Fe2p的XPS。d,e)Fe-VO2-x/rGO的TEM图。f)C、O、V、Fe和I的EDS元素映射。

图2. 碘离子快速吸附机理。a）rGO、VO2-x、VG、FVG对I3−的吸附性能。b）Fe-VO2-x和c）VO2-x的态密度分析。d）Fe-VO2-x的电荷密度分布。

图3. FVG相变过程分析。a）不同电压下FVG的非原位XRD图。b）0.1mVs−1时FVG的CV曲线。c）VG和FVG的功函数。d）界面电子转移图。e）FVG和VG的EIS曲线。f）0.1Ag−1首次循环时VG和FVG正极的GCD曲线。g）FVG相变过程示意图。

图4.Fe离子的催化性能及DFT结果分析。a)Fe-V2O5-n@I2和Fe-V2O5-n中Fe的d轨道密度图。b)Fe-V2O5-n和V2O5-n吸附I2和I3−的微分电荷图。c)V2O5-n和d)Fe-V2O5-n上吸附的I2和I3−的iCOHP。e)V2O5-n和Fe-V2O5-n对碘物种的吸附能。

图5. FVG@I2正极的电化学性能。a)倍率性能。b)电流密度为3Ag−1时的循环性能。c)GCD曲线。d)电流密度为20Ag−1时的循环性能。e)机理图。f)柔性Zn-I2软包电池的性能。

研究结论

本研究通过实验证实了载体材料调控碘离子吸附-解吸平衡对于锌碘电池发展的重要性，并强调了载体中心d轨道位置对催化活性和结构稳定性的关键作用。研究表明，掺杂Fe离子增强金属V的d带中心可提高催化性能并优化V与碘物种之间的相互作用。这种电子工程增强了功能化FVG与碘氧化还原物种之间的界面电荷转移，协同改善了反应动力学和循环稳定性。制备的Zn-I2电池在3 A g−1的电流密度下充放电循环寿命为20,000次，容量保持率为95.24％。该策略为开发高性能Zn-I2电池正极材料提供了一种通用的设计方法。