📄 本實驗室論文

Molybdenum-doped NiCo₂O₄ nanowires with enriched oxygen vacancies for wide-current-density VRFBs

摻雜鉬的富含氧空位 NiCo₂O₄ 奈米線：用於寬電流密度全釩液流電池（VRFBs）

Surface & Coatings Technology, 528 (2026) 133385 (Elsevier) | DOI: 10.1016/j.surfcoat.2026.133385 | 發表：2026年3月18日

作者：Zih-Jhong Huang, Hailegnaw Gizaw Workie, Aknachew Mebreku Demeku, Johan Nabiel Raihan, Sun-Tang Chang, Tai-Chin Chiang, Chen-Hao Wang*

📄 英文摘要

Molybdenum-doped nickel–cobalt oxide (NCO–Mo) nanowires were directly grown on graphite felt to construct high-performance electrodes for vanadium redox flow batteries (VRFBs). Morphological and structural characterizations (XRD, HAADF-STEM, XPS, XANES, and EXAFS) confirm a well-integrated nanowire coating with uniform elemental distribution and Mo incorporation into the NiCo₂O₄ host without detectable crystalline impurity phases. Mo incorporation induces oxygen vacancies (+4.75 percentage points) and modulates near-surface electronic states, which are expected to benefit interfacial charge transfer and provide abundant active sites for vanadium redox reactions. Electrochemical tests demonstrate that the optimized NCO–Mo₃ electrode delivers an energy efficiency of 86.96% at 80 mA cm⁻², 12.3 percentage points higher than pristine graphite felt (74.68%). Notably, it maintains strong performance over a wide current-density range (80–260 mA cm⁻²), achieving 63.46% efficiency at the maximum current density. The electrode also exhibits excellent durability over 250 charge–discharge cycles with coulombic efficiency above 97% and negligible performance decay (<0.2% per cycle). Mechanistically, oxygen-vacancy-mediated defect engineering reduces charge-transfer resistance, suppresses hydrogen evolution, and enhances intrinsic catalytic activity toward the VO₂⁺/VO²⁺ redox reactions.

📄 中文摘要

本研究將鉬摻雜的鎳鈷氧化物（NCO–Mo）奈米線直接生長在石墨氈上，用以建構高效能的全釩氧化還原液流電池（VRFB）電荷。結構表徵（XRD、HAADF-STEM、XPS、XANES 及 EXAFS）確認該奈米線塗層整合良好、元素分佈均勻，且鉬成功摻入 NiCo₂O₄ 基體中，未偵測到結晶雜相。鉬的摻入誘導產生氧空位（增加 4.75 個百分點），並調節了近表面的電子狀態，有利於界面電荷傳遞，並為釩的氧化還原反應提供豐富的活性位點。電化學測試顯示，優化的 NCO–Mo₃ 電荷在 80 mA cm⁻² 下的能量效率為 86.96%，比原始石墨氈（74.68%）高出 12.3 個百分點。值得注意的是，該電荷在寬電流密度範圍（80–260 mA cm⁻²）內維持強勁性能，在最大電流密度下仍達到 63.46% 的效率。此外，該電荷在 250 次充放電循環中展現優異的耐用性，庫倫效率保持 97% 以上，且性能衰減極低（每循環 < 0.2%）。機理分析表明，氧空位介導的缺陷工程：① 降低了電荷傳遞阻力、② 抑制了氫氣析出（HER）、③ 增強了 VO₂⁺/VO²⁺ 氧化還原反應的本徵催化活性。這些發現強調了氧空位調節的鉬摻雜是設計寬電流密度 VRFB 電荷的一般性策略。

🔬 五項核心重要發現

鉬摻雜誘導氧空位增加：Mo⁶⁺ 進入 NiCo₂O₄ 尖晶石結構，誘導氧空位增加 4.75 個百分點，並調節 Co²⁺/Co³⁺ 比例與近表面電子狀態。

成功建構無雜相的一維奈米線結構：鉬成功整合進 NiCo₂O₄ 晶格（無結晶雜相），形成均勻一維奈米線陣列（直徑 ~40 nm）。

顯著提升能量效率並擴展工作電流密度範圍：NCO–Mo₃ 在 80 mA cm⁻² 達到 86.96% EE（+12.3 pp），並能在 80–260 mA cm⁻² 寬範圍內穩定運作，260 mA cm⁻² 下仍維持 63.46%。

卓越的長期循環穩定性：250 次循環，CE > 97%，衰減 < 0.2%/cycle；對照組 HGF 在 150 次循環後即出現明顯衰減。

缺陷工程揭示三大催化機理：氧空位介導的缺陷工程 → (1) 降低電荷傳遞阻力、(2) 抑制氫氣析出、(3) 增強 VO₂⁺/VO²⁺ 本徵催化活性。

📊 關鍵圖表

圖 1：NCO–Mo 奈米線之 XRD 圖譜與 SEM 影像，確認晶相結構與表面形貌特徵。

圖 2：NCO–Mo 奈米線之 TEM 影像與元素分佈，顯示 Mo 均勻摻入 NiCo₂O₄ 結構。