近日，我校化工學(xué)院功能炭材料團隊在鋰硫電池原子級電催化劑的設(shè)計和調(diào)控研究方面取得新進展，相關(guān)成果以“Vanadium as auxiliary for Fe-V dual-atom electrocatalyst in lithium-sulfur batteries: ‘3D in 2D’ morphology inducer and coordination structure regulator”為題發(fā)表在ACS Nano上。

在鋰硫電池中，多硫化物的穿梭行為、液-固轉(zhuǎn)化動力學(xué)緩慢和硫化鋰分解能量勢壘大已成為阻礙其實際應(yīng)用的公認問題。為了解決這些問題，鐵單原子電催化劑越來越多受到科研人員的關(guān)注。其具備高活性的價電子、量子約束的d軌道電子和量子化的能級，對硫的多步多相轉(zhuǎn)化表現(xiàn)出優(yōu)異的催化作用。然而，單原子催化劑在鋰硫電池中仍然存在一些問題，如通常平面對稱的Fe-N₄中心極性相對較弱，不利于錨定多硫化物；Fe-N₄中心的催化效果可能受到其配位結(jié)構(gòu)的限制；單原子的碳基底多呈現(xiàn)單維形態(tài)(3D/2D)，無法結(jié)合不同結(jié)構(gòu)對于電荷轉(zhuǎn)移和受限硫反應(yīng)的優(yōu)勢；大多數(shù)在碳基體上合成鐵單原子的方法都需要高溫碳化，在熱解過程中，前驅(qū)體中多余的Fe原子容易聚集，通過催化石墨化形成不可控的石墨包裹的Fe₃C顆粒，導(dǎo)致金屬團聚和結(jié)構(gòu)紊亂。

對此，受生物體高活性固硫/固氮酶的啟發(fā)，研究團隊采用V作為多功能助劑，其在合成過程中起到結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)和配位調(diào)節(jié)的作用，成功合成了鑲嵌在“3D in 2D”碳納米片上的N橋連接的Fe-V雙原子電催化劑。

團隊通過同步輻射，球差電鏡等表征手段確認了Fe-V雙原子的存在，結(jié)合理論計算/實驗證明了雙原子位點對多硫化物的高親和性以及對硫化鋰雙向氧化還原的催化效應(yīng)，并采用原位XRD/Raman技術(shù)，直接證實了運行鋰硫電池中被抑制的穿梭效應(yīng)和良好的硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)。當該材料用于聚丙烯隔膜涂層時，鋰硫電池表現(xiàn)出高循環(huán)穩(wěn)定性(1C，1000次循環(huán)，容量衰減率為0.033%)和優(yōu)異的倍率性能(4C，711 mAh g^-1)。此外，在6.5mg cm^-2的高硫負載下，鋰硫電池在100次循環(huán)后仍保持5.10mAh cm^-2的高面積容量。本研究為合成具有精細微結(jié)構(gòu)的高活性雙原子金屬電催化劑提供了一定的指導(dǎo)，對高性能鋰硫電池的商業(yè)化具有重要意義。

化工學(xué)院為該論文的唯一通訊單位，博士研究生楊璐彬為論文第一作者，凌立成教授、王際童教授和張亞運副教授為論文通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金等經(jīng)費支持。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c05483