调节载体-催化剂异质界面以促进锂硫电池中的催化多硫化物转化

研究简介

提高硫正极宿主的催化活性对于压制穿梭效应并加速锂硫(Li-S)电池中多硫化物氧化还原动力学至关重要。然而，有效的多硫化物吸附和催化转化依赖于催化剂与支撑载体之间的协同作用，特别是在优化催化位点密度和电子/离子传输速率方面。在此，我们调节载体-催化剂异质界面以增强多硫化物转化。金属1T相MoS2纳米球均匀分散在氮掺杂石墨烯(N-G)片上，形成一种复合宿主材料(1T-MoS2/N-G)用于Li-S电池。N-G既可以作为电荷传输的导电基底，也可以作为催化剂负载的支撑物，而1T-MoS2，富含催化位点，可作为高效的电催化剂，促进离子扩散，吸附可溶性多硫化物，并加速其转化为固态硫化锂。受益于这些结构和催化优势，S/1T-MoS2/N-G阴极在0.2C下表现出1296.8mAh/g的初始容量，并且展现出出色的循环稳定性，在1.0C下500个循环中，容量衰减仅为每个循环0.015%。即使在诸如硫负载为6.5mgcm-2和贫电解液7μLmg-1等苛刻条件下，S/1T-MoS2/N-G正极也提供了7.2mAhcm-2的初始面积容量，并在100个循环后保持为4.8mAhcm-2。这些发现为设计高性能硫正极以及更广泛的电催化应用提供了新的见解。

合成方法

1T-MoS2/N-G的合成包括两个独立的步骤：水热处理和退火。首先，将PEG-20000（0.24mM）、N掺杂石墨烯（4mM）、(NH4)2MoO4·2H2O（10mM）和硫代乙酰胺（TAA）（20mM）分别加入到含有20mL去离子水和20mL无水乙醇的溶液中，搅拌并超声处理0.5h，形成均匀溶液。然后，将得到的混合物迅速转移至60mL不锈钢高压釜中，在200°C下持续高温24h，直至冷却至室温，之后用去离子水和无水乙醇分别多次洗涤固体粉末沉积物，随后在60°C的烘箱中烘烤干燥处理。其次，将所得产物在氩气气氛下以300℃烧结2h，得到1T-MoS2/N-G。

对于S/1T-MoS2/N-G复合材料，采用典型的熔融扩散技术制备。将所得的1T-MoS2/N-G与S的混合物以28:72的重量比连续研磨0.5h，然后在充满氩气的环境中以155℃不间断加热12h。S/N-G的制备采用相同的技术，只是使用市售的N-G作为主体材料。

图文导读

图1.基于硫主体材料调控硫转化机理；(A)无催化活性位点的载体；(B)经调节的载体-催化剂异质界面与催化剂；(C)分别在N-G和1T-MoS2/N-G主体上多硫化物转化机理的细节。

图2.(A)N-G和(B)1T-MoS2/N-G的SEM；(C)1T-MoS2/N-G的EDS元素映射；(D)1T-MoS2/N-G的TEM和(E)HRTEM[(E)，插入相应的FFT图]）；(F)晶格轮廓和(G)晶格间距轮廓的IFFT图（基于HRTEM照片(E)中的黄色框区域；(F)，在覆盖的原子配置中，紫色点代表钼原子，黄色点代表硫原子）；(H)1T-MoS2/N-G的XRD图和(I)拉曼光谱；(J)1T-MoS2/N-G和N-G的孔径分布。

图3.(A)1T-MoS2/N-G和N-G对Li2S6吸附效果的可视化观察及UV-vis测试的上清液；(B)Mo3d和(C)S2p在1T-MoS2/N-G与Li2S6相互作用的XPS光谱；(D)1T-MoS2/N-G和N-G的Li2S6溶液在对称电池中测得的EIS光谱和(E)交换电流密度；(F)1T-MoS2/N-G和N-G的Li2S6溶液在对称电池中测得的CV曲线；(G和H)基于N-G和1T-MoS2/N-G电极在2.0V下使用Li2S8/四乙二醇二甲醚电解液的恒电流放电曲线；(I)基于(D-H)电化学测试的综合性能对比。

图4.(A)S/1T-MoS2/N-G和S/N-G正极在扫速为0.1mVs-1时的CV曲线和(B)过电位图；基于(A)的CV曲线绘制的(C)峰c、(D)峰b和(E)峰a的Tafel图；(F)循环前S/1T-MoS2/N-G和S/N-G正极的EIS光谱；(G)S/1T-MoS2/N-G在0.05至0.4mVs-1不同扫速下的CV曲线，以及(H和I)基于(G)的不同反应过程的峰电流与扫速关系。

图5.(A)S/1T-MoS2/N-G和S/N-G电极在0.2C下的首次充放电平台期及(B)相应放大图；(C)0.2C下的循环性能；(D)S/1T-MoS2/N-G正极的多重循环评估及(E)充放电平台期；(F)高硫负载和低电解液/硫比下的循环性能；(G)1C下的长循环性能；(H)综合性能对比图。

研究结论

通过调节载体-催化剂异质界面，硫正极中多硫化物的转化动力学显著增强。具有纳米花结构的金属1T-MoS2相被成功引入硫正极，从而制备出高性能的锂硫电池。由众多纳米片组成的金属1T-MoS2为电子和离子的传输提供了高效的导电性。此外，负载在N-G上的1T-MoS2不仅有效地化学吸附中间体多硫化物，还加速了可溶性锂多硫化物与固态Li2S2/Li2S的相互转化，从而改善了硫的氧化还原动力学。得益于 1T-MoS2 卓越的催化活性，S/1T-MoS2/N-G 正极在 6.5 mg cm-2 的硫负载下表现出令人满意的 7.2 mAh cm-1 的初始面积容量，并且表现出色，在 1 C 下 500 次循环后衰减率为 0.015%，循环稳定性良好。这项工作为设计和制造用于高性能 Li-S 电池的高效、多功能催化 TMC 主体材料提供了宝贵的见解。