当前位置 : X-MOL首页行业资讯 › Nano Res.│青岛科技大学李桂村团队:取长补短的空位策略,含原位硒空位的双向催化剂吸附多硫化锂和促进硫化锂双向氧化还原转化

Nano Res.│青岛科技大学李桂村团队:取长补短的空位策略,含原位硒空位的双向催化剂吸附多硫化锂和促进硫化锂双向氧化还原转化

本篇文章版权为李桂村课题组所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


由氧化物和硒化物(硫化物、氮化物或碳化物)组成的异质结构在抑制LiPSs穿梭效应和促进锂硫电池充放电动力学方面得到广泛研究,因为异质结构可协同氧化物对多硫化锂(LiPSs)的优异吸附性和硒化物(硫化物、氮化物或碳化物)对多硫化锂(LiPSs)的催化转化作用。然而受限于异质结构中吸附主体和催化主体的异位性,LiPSs的吸附-催化路径受限于局部界面,有限的活性位点难以满足高性能锂硫电池的需要。同时,除了LiPSs还原为Li2S2的液-固转化步骤之外,Li2S2还原为Li2S的固-固转化步骤和Li2S氧化为Li2S2的固-固转化步骤也应当给予更多的关注和研究。因此,探索同时兼具吸附催化功能的材料和兼顾硫的氧化动力学与还原动力学的工作显得尤为重要。


成果简介


image.png

在这项工作中,青岛科技大学李桂村教授与张忠华副教授等人首先通过第一性原理(DFT)计算对比了富硒空位的 VSe2-x与V2O3对LiPSs的吸附作用和催化转化作用。研究结果表明:原本对LiPSs吸附性能不及V2O3的VSe2,经过硒空位的修饰,对LiPSs吸附性能得到大大增强。同时,富硒空位的 VSe2-x在LiPSs还原为Li2S2的液-固转化步骤、Li2S2还原为Li2S的固-固转化步骤和Li2S氧化为Li2S2的固-固转化步骤中大大降低了转化能垒,起到了双向催化作用。
本实验中,借助独特纳米花片结构的聚苯胺-五氧化二钒前驱体,可控地设计了富硒/无硒空位氮掺杂碳@氧化钒-硒化钒异质结(NC@VO-VSe)和氮掺杂碳@氧化钒(NC@VO),系列多硫化物吸附与催化反应的测试(如,可视化吸附、对电池、硫化锂沉积实验、电化学测试)对DFT计算结论进行论证。结果表明:S/NC@VO-VSe正极的穿梭效应得到有效抑制,充放电动力学得到极大改善,在 2 C 下具有 693.7 mAh·g−1 的出色倍率能力,在 2 C 下 1000 次循环内具有显著的长期循环能力。
本工作通过空位修饰策略,从材料设计的角度将材料对 LiPS 的吸附作用和催化作用耦合起来,提出的“双向催化功能”对于兼顾锂硫电池充电动力学与放电动力学的研究具有一定的参考意义。


图文导读


image.png

图1. NC@VO-VSe吸附LiPSs和双向催化S8与Li2S转化的机理示意图。


image.png

图2. (a) Li-S电池充放电机理示意图及其面临的主要挑战;(b) 在 VSe2-x (001) 和 V2O3 (110) 上 LiPS还原 和 Li2S 氧化的能量分布;(c) Li2S6 和 Li2S在 VSe2-x (001) 和 V2O3 (110) 上的结合能;(d) 进行步骤 (1)、(2)、(3) 和 (4) 所需的能量对比;Li2S 在VSe2-x (001) 和 V2O3 (110) 上的分解能垒(e)和相应的优化模型(f)。


image.png

图3. NC@VO、NC@MVO-VSe、NC@VO-VSe和NC@VO-MVSe的合成示意图。


image.png

图4. PVO (a) 和 NC@VO-VSe (b) 的SEM 图像;NC@VO-VSe 的 TEM (c) 和 HRTEM (d) 图像以及 C、N、V、O、Se 的相应 EDS能谱面扫描图(e);(f) NC@VO-VSe 复合材料的 TG 曲线。


image.png

图5. (a) NC@VO、NC@MVO-VSe、NC@VO-VSe 和 NC@VO-MVSe 的 XRD 图谱;NC@VO 和 NC@VO-VSe 的局部放大 ((b): 50∼1100; (c): 1100∼1800) 拉曼光谱;(d) NC@VO 和 NC@VO-VSe 的 XPS 光谱全谱;NC@VO-VSe的(e)Se 3d XPS光谱,(f)V 2p XPS光谱,(g)C 1s XPS光谱和(h)O 1s XPS光谱。


image.png

图6. (a) 以 NC@VO-VSe、NC@VO 和 C 作为工作电极,Li2S6 溶液作为电解质的对称电池的 CV 曲线;(b-c) NC@VO-VSe、NC@VO 和 C无硫电极的 Li2S 成核测试的计时电流曲线;(d) NC@VO-MVSe、NC@VO 和 C浸泡在 4 mL 0.5 mM Li2S6 溶液中的初始时及4、6、10小时后数码照片;(e) V2O3、VSe2-x 和 VSe2 对 LiPSs 的作用以及 NC@VO、NC@MVO-VSe、NC@VO-VSe 和 NC@VO-MVSe 的化学组分。


image.png

图7. (a) S/NC@VO-VSe、S/NC@VO和S/C正极电池的CV曲线;(b) CV曲线中氧化峰和还原峰的电压;(c)不同扫描速率(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mV·s−1)下 S/NC@VO-VSe正极的 CV 曲线;(d) S/NC@VO-VSe、S/NC@VO、S/C 正极在 0.2 C 下的首次充放电曲线,以及恒电流充放电曲线的相应放大部分 (e-h);(i) S/NC@VO-VSe、S/NC@VO、S/C电池的EIS光谱。


image.png

图8. (a) S/NC@VO-VSe、S/NC@VO和S/C正极电池的倍率性能;S/NC@VO-VSe (b)、S/NC@VO (c) 正极在不同倍率(0.2 C、0.5 C、0.8 C、1 C、1.5 C 和 2 C)下的充放电曲线;(d) S/NC@VO-VSe、S/NC@VO和S/C正极的电池在0.2 C下的循环性能和库伦效率;(e) S/NC@VO-VSe, S /NC@VO 和 S/C 正极的第100圈充放电曲线;(f) S/NC@VO-VSe、S/NC@VO 和 S/C 正极电池在1 C下的循环性能和库伦效率。


image.png

图9. (a)循环 50圈之后电池的拆卸示意图;S/NC@VO-VSe (b)、S/NC@VO (c) 和 S/C (d) 正极在 50 个循环后的非原位 SEM 图像;(e) S/NC@VO-VSe正极电池在2 C时的超长期循环性能和库伦效率;(f) S/NC@VO-VSe正极在0.2 C和不同电解液/硫负载比 (20、15和10μL mg-1) 下的第5圈充放电曲线,及相应放大部分(g)与相应的循环性能和库伦效率(h)。


作者简介


李桂村,现为青岛科技大学材料科学与工程学院教授,博士生导师,曾获“山东省有突出贡献的中青年专家”、“青岛市拔尖人才”、“山东省第三届优秀研究生指导教师”等荣誉称号。2021年入选由斯坦福大学John P. A. Ioannidis教授团队与Elsevier旗下Mendeley Data发布的全球前2%顶尖科学家榜单。青岛科技大学新能源材料与器件专业核心课程教学团队负责人。先后主持国家自然科学基金项目4项、山东省重点研发(公益类)项目1项、山东省自然科学基金项目1项、青岛市科技计划项目2项等,参与山东省重大基础研究项目1项。研究成果在Adv. Mater.、ACS Nano、Small Methods、J. Mater. Chem. A、J. Power Sources、J. Energy Chem.、Carbon、Nano Res.国际期刊发表120多篇学术论文。获得中国发明专利6项,获得山东省自然科学二、三等奖各1项、青岛市自然科学二等奖1项、中国石化联合会科技进步二、三等奖1项等。获得山东省优秀博士学位论文1篇、指导山东省优秀硕士学位论文4篇。
研究方向:新型电化学储能材料与技术,包括锂(钠、钾)离子电池,镁电池,锌电池等关键电极材料和电解质开发等。

张忠华,青岛科技大学材料科学与工程学院,新能源材料与器件教研室,副教授。从事于新型电化学储能期间领域的研究工作,针对高能量密度可充镁电池电解质及电池体系等方面开展学术研究。学术研究期间涉及大量的材料合成、材料表征以及性能的测试等,在二次电池及超级电容器等电化学领域积累了丰富的知识、经验和基础理论。研究成果方面,以第一作者和通讯作者(含共同)在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.等国际期刊发表SCI论文20篇。授权发明专利2项。主持国家自然科学基金项目、山东省自然科学基金等3项。


文章信息


Y. Li, Z. Zhou, Y. Li, et al. Selenium vacancies enable efficient immobilization and bidirectional conversion acceleration of lithium polysulfides for advanced Li-S batteries. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4552-7..

image.png

识别二维码或点击左下角“阅读原文”可访问全文



QQ截图20220430103511.png

如果篇首注明了授权来源,任何转载需获得来源方的许可!如果篇首未特别注明出处,本文版权属于 X-MOLx-mol.com ), 未经许可,谢绝转载!

EDITINGSERVICES编辑润色服务新
Biotechnology生物技术领域综合期刊+特刊
AJE是与Nature期刊合作的论文润色机构
默克礼遇开学季
ELSEVIER理工paper精准润色
Nature论文写作课程
Frontiers 期刊最新因子现已公布
ELSEVIER第一届国际分离钝化技术大会
最新CiteScore引用分出炉
屿渡论文,编辑服务
浙大
北京大学
哈工大
北京大学
南科大
南开
清华
哈工大
上海中医药-连续6个月
南开
隐藏1h前已浏览文章
课题组网站
新版X-MOL期刊搜索和高级搜索功能介绍
ACS材料视界
天合科研
x-mol收录
试剂库存
down
wechat
bug