AM——预锂电催化剂的电子调制和漂移效应加速硫氧化还原动力学
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阅读： 2024/1/27 10:11:24
文章背景
作者：Haimei Wang
通讯作者：Yong-Wei Zhang，John Wang
机构：山东大学，新加坡国立大学
期刊：Advanced Materials
年份：2023
影响因子：29.4
分区：Q1
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202307741
01
文章摘要
研究背景：
高效的催化剂设计对于解决锂硫电池（LiSB）中缓慢的多步硫氧化还原反应（SRR）至关重要，锂硫电池是下一代高能量密度存储系统的有希望的候选者之一。
科学问题：
由于对LiSB催化动力学机理的认识有限，以及对催化剂结构缺乏精确的控制，使得设计高效的催化剂面临挑战，从而阻碍了LiSB的实际应用。
研究方法：
从理论计算中得到启发，提出了精确控制预锂化SRR电催化剂的概念。揭示了在预锂化的1 T '-MoS2中，沟道锂和表面锂的双重作用，分别称为“电子调制效应”和“漂移效应”，这两种效应都有助于加速SRR动力学。
研究发现：
通过在立方Co9S8上外延生长预锂化的1 T '-MoS2获得1T'-LixMoS2/CS阴极表现出令人印象深刻的性能，具有1049.8 mAh g-1的高初始比容量、优异的倍率性能和显著的长期循环稳定性，在3 C下在1000次循环中每个循环的衰减率仅为0.019%。
影响意义：
这项工作强调了精确控制预锂化参数的重要性以及通道和表面锂的协同效应，为高性能LiSB的SRR电催化剂的设计和优化提供了新的有价值的见解。
02
结果与讨论
图1a：1T '-LixMoS2模型对各种硫物质表现出中等的结合强度，其比2H-MoS2更强。绿色柱表示，吸附强度随Lisurf浓度的增加而增加，这归因于Lisurf参与了多硫化物的固定。
图1b：由于Lisurf的静电排斥，Li2S在1 T '-LixMoS2上显示出0.39 eV的分解势垒，其低于在1 T'-LiMoS2（0.45 eV）和2H-MoS2（0.87 eV）上的分解势垒，表明在预锂化的1 T '-MoS 2上发生了快速充电过程。
图1c：Lisurf的静电排斥显著降低了1 T '-LixMoS2（0.15 eV）和1 T'-LiMoS2（0.07 eV）上的Li扩散势垒，这两者都比2H-MoS2（1.85 eV）低得多。
图1d：为了区分表面Li和通道Li的作用，基于2H-MoS2、1T '-MoS2，1T ′ LichMoS2，1T'-Lisurfx MoS2和1 T' LisurfMoS2的最重要的五个性质来比较性能。可以看出，2 H-MoS 2（蓝点）具有最差的性能，特别是在电导率方面，其比先前报道的1 T '-MoS 2低五个数量级。
图1e：1T '-LixMoS2表现出0.39 eV的显著较低的自由能垒，与2H-MoS2观察到的0.95 eV的较高值形成鲜明对比。
图2：通过电化学阻抗谱（EIS）和分布松弛时间（DRT）技术分析，研究了2H-MoS2/CS和1T'-LixMoS2/CS电极的界面电荷转移动力学。DRT图提供了关于反应动力学和性能限制过程的定量信息。图中的峰值位置、高度和面积代表了极化过程的特定时间常数和极化电阻。通过分析DRT图，可以更深入地了解电极反应的性质和强度。
图2a：示意性地表示了1 T ′-LixMoS2/CS的主要预锂化步骤。以2 H-MoS2/CS为锂离子电池正极材料，在适当的截止电压下，通过精确调节锂化深度，可以直接原位电化学合成1 T ′-LixMoS_2/CS。在3 -0 V范围内，锂离子嵌入MoS_2的过程主要发生在放电过程中。
图3：通过原位电化学荧光光谱（ECL）研究了2H-MoS2/CS和1T'-LixMoS2/CS电极在Li2S8电解液中的催化机制。图中显示了Li2S8的还原过程，以及Li2S的析出过程。1T'-LixMoS2/CS电极表现出更强的Li2S核化能力，有助于提高放电容量。
图4：通过原位电化学荧光光谱（ECL）研究了2H-MoS2/CS和1T'-LixMoS2/CS电极在Li2S8电解液中的催化机制。图中显示了Li2S8的氧化过程，以及Li2S的溶解过程。1T'-LixMoS2/CS电极表现出更高的Li2S溶解速率，有助于提高充电容量。
图5：通过原位电化学阻抗谱（EIS）和分布松弛时间（DRT）技术分析了2H-MoS2/CS和1T'-LixMoS2/CS电极的界面电荷转移动力学。DRT图提供了关于反应动力学和性能限制过程的定量信息。图中的峰值位置、高度和面积代表了极化过程的特定时间常数和极化电阻。通过分析DRT图，可以更深入地了解电极反应的性质和强度。
结论
通过电子调制和漂移效应，预锂化电催化剂可以加速硫氧化还原动力学，提高锂硫电池的性能。研究人员通过密度泛函理论计算和实验验证，发现预锂化催化剂可以调节电子结构，促进硫氧化还原反应的进行，并且可以实现高速率性能和长循环稳定性。其中，1T'-LixMoS2/CS电极在锂硫电池中表现出优异的初次比容量和循环稳定性，具有潜在的应用前景。
转自：“科研一席话”微信公众号
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