渤海大學蔡克迪-郎笑石團隊J. Energy Storage 基于Fe3+/Fe2+動態調控MoS2構建高活性界面促進多硫化物的催化轉化

進入二十一世紀以來，我國經濟持續保持快速增長，能源需求快速上升。為了響應碳達峰碳中的理念，迫切需要提高儲能器件的能量密度，功率密度，循環壽命等性能。伴隨著大量新型能源的涌現，高理論比容量(1675 mA h g^-1)和高能量密度(2600 Wh Kg^-1)的鋰硫電池在新一代能源儲存系統中備受關注。然而，由于S/Li₂S的絕緣特性導致Li-S電池的實際放電比容量低于理論值。鋰枝晶的形成導致電池內部短路。以及穿梭效應的產生，大幅度降低鋰硫電池的循環穩定性和庫倫效率，嚴重阻礙其商業化應用。研究發現高效的催化過程可以降低硫轉化的勢壘，加速“固-液-固”轉化過程，從而抑制“穿梭效應”。

近日，渤海大學蔡克迪教授、郎笑石副教授、時潤娜碩士研究生通過水熱法進行組分調控，設計了一種新型Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂高活性界面結構納米花狀復合材料， 并以硫負載用于高性能鋰硫電池。Fe³⁺和Fe²⁺在氧化還原反應過程中的相互轉化誘導MoS₂催化劑的動態結構變化，構建了高活性的界面結構，促進了多硫化物的催化轉化，有效地限制“穿梭效應”。此外，Fe摻雜促進二硫化鉬的有利相變（2h→1T），進一步提高其催化活性。通過系列測試證明摩爾比為 4：1：2 的材料對 LiPSs 具有高的吸附-轉化能力。氧化還原過程中Fe³⁺和Fe²⁺的發生相互轉化，并伴隨著鋰離子的整合和分離現象，這為Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂/S復合陰極提供了額外的比容量，從而在0.1 C電流速率下達到1900 mAh g^-1，具有優異的電化學性能。相關成果以《Construction of highly active interfacial structures based on Fe³⁺/Fe²⁺ dynamically regulated MoS₂ to promote polysulfides catalytic conversion for lithium-sulfur batteries》在國際著名期刊《Journal of Energy Storage》上發表。

【圖文導讀】

（a）Fe³⁺和Fe²⁺摻雜MoS₂材料的合成示意圖

（a-e）4：1：1，4：1：2，4：2：1，4：2：2，4：1：3的SEM圖

（f-g）4：1：2的TEM和HRTEM圖

(a)Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂ 系列材料的XRD圖

(b)Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂ 系列材料的Raman圖

(c)4：1：2的Raman特征峰圖

(d)Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂ 系列材料載硫后的Raman圖

(a)4：1：2時Fe、O、C、Mo、S的XPS圖譜

(b)4：1：2時Fe 2p 的XPS圖譜

(c)4：1：2時Mo 3d 的XPS圖譜

(d)4：1：2時S 2p 的XPS圖譜

（a-e）Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂ 系列材料的CV曲線

（f）鋰硫電池中Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂/S中間層的機理示意圖

（a）電極的塔菲爾曲線

（b）電極的交流阻抗圖（內部為擬合電路圖）

（c）電極的GITT圖

（a-c）電極在 0.1、0.2 和 0.5C 電流密度下的首次充放電圖

（d）電極在 0.1 C 電流密度下放電平臺的容量(QH和 QL分別表示高平臺和低平臺)

（e）電極在 0.2 C、0.5 C 和 1C 電流密度下的循環性能圖

（f）電極在 0.5 C 電流密度下循環500次的性能圖

(a)不同樣品對 Li₂S₆溶液的吸附照片

(b)紫外-可見光譜

(c)對稱電池在 10 mV s ^?1下的 CV 曲線

(d)Li₂S 成核測試

本文制備的具有活性界面結構的Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂/S復合陰極基體，在電化學過程中，Fe³⁺和Fe²⁺價態的相互轉換誘導了MoS₂結構的動態變化，優化催化劑的催化效果。高活性界面結構的形成為電化學反應提供豐富的活性位點，提高LiPSs的吸附能力，促進可溶性LiPSs催化轉化為不可溶性Li₂S的能力，從而有效地抑制了“穿梭效應”，提高了硫的利用率。Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂/S復合陰極在摩爾比為4：1：2時，具有優異的電化學性能，在0.5 C電流密度下進行500次充放電循環，單詞容量衰減率只有0.13%。綜上所述，本研究提高了鋰硫電池的電化學性能，為硫陰極轉化反應中催化劑摻雜金屬原子之間的關系提供了初步的認識和理解。同時表明，基于Mo、Fe²⁺和Fe³⁺摩爾比為4：1：2的納米花狀Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂作為硫包裹基體具有廣泛的應用前景。

時潤娜，渤海大學2022級碩士研究生，主要致力于高效鋰硫電池體系復合電極的調控、設計及電化學性能研究。自入學以來榮獲渤海大學優秀研究生、優秀共青團員標兵、社會實踐先進個人等榮譽稱號，在Journal of Energy Storage 期刊上發表SCI論文1篇，以第二作者的身份發表論文3篇，發明專利1篇。

郎笑石，博士，副教授，碩士生導師，2015 年 7 月畢業于哈爾濱工業大學化學工程與技術專業并獲工學博士學位。目前在渤海大學化學與材料工程學院任教，加入先進化學電源研究所從事鋰硫電池、鉛酸電池、鋰離子電池、鋰空氣電池以及超級電容器等領域研究。近年來，主持或參與國家及省部級以上項目 10余項。先后在 Journal of Power Sources、Composites Part B-Engineering 等期刊發表學術論文 30 余篇，其中 ESI 高被引論文 3 篇。申請或授權國家發明專利 20 余項，并獲遼寧省自然科學學術成果獎三等獎 1 項，錦州市自然科學學術成果獎一等獎 1 項，出版學術專著 2 部。

蔡克迪，教授，博士生導師，遼寧特聘教授，興遼英才計劃“青年拔尖人才”，遼寧省百千萬人才工程“百人層次”。獲中國產學研合作創新獎(2018年)，遼寧青年科技獎(2019年)，遼寧省高校優秀共產黨黨員(2021年)，遼寧省優秀科技工作者(2022年)。

現任渤海大學科技處處長，電化學儲能材料與技術研究所所長。中國超級電容器產業聯盟青年理事，中國材料研究學會青年工作委員會理事，中國化學會高級會員，國家自然科學基金函評專家，教育部學位中心評審專家，多省市科技獎評審專家，目前擔任Advanced Functional Materials等 20 余個國內外學術期刊審稿專家。

近年來，主要從事能源化學與能源材料領域的基礎應用研究，在新型化學電源體系、先進電極材料構建等方向開展了有意義的研究工作。先后主持了國家自然科學基金(面上、青年)、中國博士后基金(特助、一等)、遼寧省科技廳重點研發計劃等 20 余項國家及省部級課題，先后在 Composites Part B、Journal of Energy Chemistry、ACS AMI 等國內外學術期刊上發表SCI論文 120 余篇，其中 6 篇文章入選 ESI高被引論文，4 篇文章入選 ESI 熱點論文。申報 82項國家專利、2項國際專利，其中授權 76 項（第一發明人 36項），科技成果轉化 4 項，企業直接或間接經濟利潤三千余萬元。其中部分相關科技成果省部級以上鑒定為“ 國際先進” ，并在《中國發明與專利》、《遼寧日報》等雜志報刊上進行了專題報道。參與制定團體標準 2 項，參編《Advanced Electrochemical Materials in Energy Conversion and Storage》英文專著一部，主編《化學電源技術》等學術著作 3 部。

文章信息：Construction of highly active interfacial structures based on Fe³⁺/Fe²⁺ dynamically regulated MoS₂ to promote polysulfides catalytic conversion for lithium-sulfur batteries，Journal of Energy Storage 88 (2024) 111571

DOI: 10.1016/j.est.2024.111571

供稿人：時潤娜