杂原子调谐Bipz- 高功率密度钒流电池单原子催化剂的轨道杂交
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-08-10 20:52:45 点击： 次
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3+/[V（H2O)6]
2+证明为NBi>PBi>SBi>BBi。结果表明，PBi、SBi和BBi在费米能级附近向平面方向（p）方向显示双原子的电子云分布x， py），而NBi则表现出轴向轨道（p）z由于N的高电负性，导致Bi-N p轨道杂交更为明显，从而促进钒离子脱水。因此，配备NBi装饰石墨毡（GF）电极的VFB单电池在所有制造电极中表现出最优的电池性能，在240 mA的电流密度下实现了7%的能效提升−2相比之下，那款带有BBi的对应版本。混合轨道工程策略为高功率密度VFB中单原子电催化剂建立了设计范式。
图形摘要
通过Bi-X配位引入高电负性杂原子，诱导轴向排列（pz）电子云分布中双原子的分布，从而显著增强了[V（H2O)6]
3+/[V（H2O)6]
2+.
简介
钒流电池（VFB）因其高安全性、高效性和稳定性，在大规模储能领域备受关注[[1]， [2]， [3]]。然而，电极界面钒离子的低反应速率导致功率密度低，堆栈成本进一步高（每千瓦400–600美元占系统资本成本的25–40%）[4,5]。因此，开发高活性电催化剂以提升VFB的功率密度至关重要。
单原子电催化剂因其高原子利用率、明确的活性位点和稳定的电子结构，已被证明在钒流电池领域有效[[6]， [7]， [8]]。它们不仅能通过中心金属原子与周围杂原子形成混合轨道，有效促进钒离子的脱水，还能增强金属原子的稳定性，避免沉积和溶解[[7]， [8]， [9]， [10]， [11]]。将电负性变化的杂原子引入金属原子的第一层壳层，可以有效调控中心金属原子的电子云分布，从而实现相对优异的电催化效应[[12]， [13]， [14]， [15]， [16]， [17]， [18]， [19]。单原子催化剂最近被引入VFBs中，但其在调制混合轨道构型中的潜力仍未被充分探索[[7]， [8]， [9]]。调控这些构型有望有效改善对钒离子的氧化还原动力学。因此，特定轨道杂交与催化剂对钒离子活性之间的结构-活性关系仍需系统性探索。
本文报告了具有不同杂原子配位（XBi， X = N， P， S， B）的双原子单原子电催化剂，应用于具有蜂窝阵列结构的碳纳米片上。利用杂原子的电负性合理调控轴向（p）z）双原子的电子云分布，从而有效促进钒离子的脱水（见图1）。它们对[V（H2O)6]3+/[V（H2O)6]2+证明为NBi>PBi>SBi>BBi。结合理论计算的原位电化学表征表明，PBi、SBi 和 BBi 显示了双原子在费米能级附近向平面方向（p）方向的电子云分布x， py），而NBi则表现出轴向轨道（p）z由于N的高电负性，促使钒离子脱水，从而实现分布。此外，NBi表现出更明显的双氮p轨道杂交，氮主导的空轨道促进钒离子吸附，双主导的占用轨道促进脱水和电荷转移。因此，采用NBi装饰石墨毡（GF）电极组装的VFB单电池，在所有制造电极中实现了最优越的电池性能，在240 mA电流密度下实现了7%的能效提升−2以及218毫瓦厘米−2峰值功率密度相比 BBi 负载对应的对应者有所提升。此外，VFB单电池可在240毫安厘米下稳定运行1000个周期−2而且没有明显的性能下降。这项工作强调了杂原子的关键作用，并为VFB中单原子催化剂的混合轨道设计提供了宝贵见解。
