文献信息：ZhuX，ShangY，LuY，LiuC，LiZ，LiuQ.Afree-standingbiomass-derivedRuO2/N-dopedporouscarboncathodetowardshighlyperformancelithium-oxygenbatteries.JournalofPowerSources，，：.
DOI:10./j.jpowsour..内容概括
锂氧气电池（Li–O2）阴极的有效开发对于其应用与发展至关重要。本文通过热解和碳化苹果合成了N掺杂的分层介孔活性炭（N-HMAC）。在此基础上，通过随后的溶剂热处理过程，将RuO2纳米颗粒（RuO2NPs）锚定在制备的N-HMACs上。该方法避免了由于使用粘合剂引起的副反应，并促进了电子传输。阴极的多孔结构为反应物提供了足够的传输通道，并提供了容纳产物的空间。锚定的RuO2NPs虽然可以作为催化活性位点促进阴极的氧化还原反应，优化反应过程，但会导致锂氧气电池更易通过表面吸附途径形成片状Li2O2，该结论通过密度泛函理论（DFT）计算得到了进一步证实。基于N-HMACs-RuO2阴极的Li–O2电池显示出高容量、低过电势和出色的循环稳定性。计算目的
本文通过热解和碳化苹果合成了N掺杂的分层介孔活性炭（N-HMAC），并通过随后的溶剂热处理过程，将RuO2纳米颗粒（RuO2NPs）锚定在制备的N-HMACs上，从而制备了N-HMACs-RuO2空气阴极。实验结果表明，锚定的RuO2NPs虽然可以作为催化活性位点促进氧气的氧化和还原反应，优化反应过程，但会导致锂氧气电池更易通过表面吸附途径形成片状Li2O2。并通过密度泛函理论（DFT）计算进一步证明了上述结论。
计算结果
图1（a，b）为以mAg–1的电流密度和mAhg–1的有限容量进行放电后的N-HMACs和N-HMACs-RuO2阴极SEM图。（c，d）不同阶段的N-HMACs和N-HMACs-RuO2阴极XRD图。（e）N-HMACs和RuO2初始放电过程的能量图图1a和b显示了在mAhg–1的电流密度下，mAhg–1限制放电容量下N-HMACs和N-HMACs-RuO2放电产物的形态。N-HMACs阴极上的放电产物显示出经典的环形形态（图1a）。与之形成鲜明对比的是，N-HMACs-RuO2阴极的放电产物倾向于形成片状结构（图1b）。如图1c和d为两个阴极处于不同阶段的XRD图谱。N-HMACs-RuO2阴极的Li2O2的特征峰比N-HMACs阴极更弱、更宽，表明N-HMACs-RuO2阴极上Li2O2的结晶度明显降低。较低结晶度的Li2O2包含许多缺陷和空位，能为电子和离子传导提供通道，促进后续的ORR过程。此外，本文通过DFT计算进一步分析了使用RuO2催化剂的优势。通常Li–O2电池中ORR涉及两个步骤：氧气捕获一个电子并与锂离子（Li+）结合形成LiO2（1）。然后，形成的LiO2可以经过歧化反应（2）或经过第二还原（3）以形成Li2O2。如图1所示，N-HMACs-RuO2阴极（1）和（3）过程的反应能垒明显低于N-HMACs阴极的（1）和（2）过程的反应能垒。该结果表明N-HMACs-RuO2阴极具有较高的ORR催化活性。由于N-HMACs-RuO2阴极有利于热力学反应的进行，因此N-HMACs-RuO2阴极在催化剂存在的情况下能形成结晶度较低，并且更可能是无定形的Li2O2。这是由于催化剂表面具有更合适的Li+和O2反应活性位点以及更高的结合Li+和O原子的能力，促进催化剂表面迅速形成放电产物，减少了催化剂中间产物的迁移时间。从而降低Li2O2内部密度，显示出差的结晶度。结论
本文以苹果为前驱体，通过简单的热解和随后的溶剂热处理合成了自支撑的N-HMACs-RuO2阴极。N-HMAC-RuO2阴极具有独特的分层介孔结构，可促进反应物的传输和放电产物的沉积。另外，RuO2NPs可以通过表面吸附途径调节放电产物Li2O2的形态，使其形成具有较低结晶度的片状结构，这有利于Li–O2电池的充电过程。得益于上述协同效应，具有N-HMACs-RuO2阴极的组装Li–O2电池具有出色的往返效率、高放电容量（mAhg–1）和优异的循环稳定性（次循环，超过0h）。
启发
通过DFT计算氧的氧化和还原反应过程中吸附能，分析催化剂的结构（例如空位、缺陷）及组成成分对于电化学反应过程的影响对于开发具有高效催化活性的新型催化剂具有重要的意义。此外，本文的计算原理可以推广到其他类型的催化剂（例如空气电池阴极催化剂）研发中，通过优化催化剂的电子结构，调节催化剂中空位、空穴分布等，提高催化剂的催化活性。因此，DFT计算对于进一步开发高性能的电极材料具有重要的意义。如果您有类似的模拟计算需求，可长按
