氮配位铱掺杂蓝磷作为锂氧电池高效双向电催化剂的第一性原理研究

《Journal of Materials Chemistry A》：Nitrogen-coordinated iridium doped on blue phosphorene as a bidirectional electrocatalyst for lithium–oxygen batteries: a first-principles study

来自国内的研究人员通过第一性原理模拟，系统研究了蓝磷烯（BP）基单原子催化剂（TM@P及TM-N3@P）在锂氧（Li–O2）电池中的双向电催化性能。研究发现氮配位铱催化剂（Ir–N3@P）通过调控电子结构实现最优LiO2结合能（3.18 eV），显著降低氧还原（ηORR=0.32 V）和氧析出（ηOER=0.26 V）过电位，为设计高效锂氧电池催化剂提供了新策略。

　　

二维蓝磷烯（Blue Phosphorene, BP）作为新型单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）基底，在可充电锂氧电池（Li–O₂ batteries）中展现出巨大潜力。本研究通过第一性原理模拟，系统对比了蓝磷烯负载的过渡金属催化剂（TM@P，TM=铱Ir、钛Ti、钒V）及其氮配位变体（TM-N₃@P）的性能。结果表明，所有结构均与锂氧化物（如LiO₂）存在强相互作用，且LiO₂结合能可作为充放电过电位的关键描述符。其中氮配位铱催化剂（Ir–N₃@P）表现出最优的LiO₂结合能（3.18 eV）和卓越的双向催化活性，其氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction, ORR）过电位（η_ORR）与氧析出反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）过电位（η_OER）分别低至0.32 V和0.26 V。进一步对比氧（O）、硫（S）、硒（Se）配位体系发现，氮配位铱中心凭借近中性电荷状态与平衡的电子授受能力，展现出独特的催化优势。该研究揭示了配体调控电子结构在锂氧电池单原子催化剂设计中的关键作用。