西南科大宋英泽团队 ChemComm | 面向高效锂硫化学的 V₈C₇/P 双功能催化剂的合理设计

  • A+

为满足未来大规模储能需求，开发高能量密度、高安全性和长循环寿命的先进储能系统已成为当前研究的热点。锂硫电池因其较高的理论能量密度（2600 Wh·kg−1）被认为是下一代极具发展前景的先进储能体系。然而，由于多硫化物的穿梭效应和硫的氧化还原{attr}3227{/attr}动力学缓慢等问题极大地限制了其商业化应用进程。


基于上述科学问题，西南科技大学宋英泽研究团队首先通过金属有机框架 MIL-47 (V)衍生策略设计出 V8C7 活性中心及多孔碳复合架构，之后引入 P 杂原子从而构建出双功能型电催化剂（VPC）。研究表明，磷缺陷工程能有效提升 V8C7/C 的整体导电性，同时 V8C7 和 P 双活性中心能赋予电催化剂对多硫化物穿梭更强的抑制能力和对硫转化反应更高的催化活性。因此，电池获得了较高的倍率容量和有利的循环稳定性。该成果于近期发表于英国皇家化学会期刊 Chem. Commun.。

▲

Figure 1. a) Schematic illustration of activity manipulation of VPC. b) Schematic illustration of VPC working mechanism on Li–S chemistry.


亮点 1: 实现了 V8C7 和 P 缺陷在碳架构上的有效集成；

从透射电子显微镜及元素 Mapping 图中可以看出，V8C7 和 P 原子在碳架构上均匀分布，这有利于保证 VPC 电催化剂的。

▲

Figure 2. a) SEM, b) TEM image, c) HRTEM image and SEAD inset of VPC. d–f) Elemental maps of VPC. g) XRD patterns. h) N2 adsorption-desorption isotherm curves of VPC, VC and PC.


亮点 2: V8C7 和 P 缺陷双中心协同调控硫转化反应动力学；

可视化多硫化物吸附、循环伏安法、Li2S 成核及分解分析结果显示：在 V8C7 和 P 双中心的协同调节下，VPC 具有更优异的多硫化物吸附能力、更高的硫氧化还原反应动力学催化活性。

▲

Figure 3. a) CV curves of VPC, VC and PC-based symmetric cells at a scan rate of 50 mV s–1. b) Discharge and c) charge profiles at 0.2 C showing the overpotentials for sulfur conversion redox reactions. d–f) Potentiostatic discharge profiles of Li2S8/tetraglyme solution on CP-VPC, CP-VC and CP-PC at 2.05 V, inset: SEM images of electrochemically precipitated Li2S. g–i) The dissociation curves of Li2S on CP-VPC, CP-VC and CP-PC, inset: SEM images of electrochemically dissociated Li2S.


亮点 3: VPC 实现了锂硫电池有利的电化学性能。

电池性能结果表明，VPC/S 正极具有优异的倍率性能，更小的极化电压，以及稳定的循环性能（2 C 倍率下，在 600 次循环过程中的平均容量衰减率为 0.076%）。硫的负载量提升至 5.0 mg cm–2 时，VPC/S 在 0.2 C 倍率下经过 50 次循环后面容量保有率为 81.2%。

▲

Figure 4. a) Rate capabilities. b) Charge/discharge profiles at various rates. c) Voltage gaps of S/VPC, S/VC and S/PC cathodes at 0.2 C. d) Cycling stability of cathodes at 0.2 C. e) EIS profiles of the cathodes. f) Cycling stability of S/VPC cathode with the sulfur loading of 5.0 mg cm−2 at 0.2 C. g) Long-term cycling performance of S/VPC cathode at 2 C.


VPC 电催化剂实现了 V8C7 和 P 缺陷在碳载体上的合理集成，有效增加了电催化剂的整体导电性以及活性位点种类，从而能有效缓解锂硫电池中的穿梭效应，催化 Li2S 的成核和分解反应。研究工作不仅为锂硫电池电催化剂的活性设计提供了有效的研究策略，还促进了对电催化剂相关工作机制的理解。


论文信息

  • Manipulating the Li–S reaction kinetics via the V8C7/phosphorus defect-integrated carbon promoter
    Qin Yang, Zhuo Chen, Zhiqin Zheng,*（郑志勤，西南科技大学） Le Chen, Lixian Song, Jingyu Sun* and  Yingze Song*（宋英泽，西南科技大学）
    Chem. Commun., 2022.
    http://doi.org/10.1039/D2CC00535B


通讯作者

宋英泽 教授

西南科技大学

西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室特聘教授，博士生导师，四川乡村光伏技术研究院院长。博士毕业于苏州大学新能源科学与工程专业，Energy Environ. Mater.、Chinese Chem. Lett.、Tungsten 等期刊的编委或青年编委，长期从事清洁能源的高效存储与利用技术研究，在“烯碳及钒钛基能源材料”，“电催化活性系统优化技术”、“原位谱学联用分析技术”、“光伏热电联供技术”等方面取得了原创性的研究成果，主持国家自然科学基金等 10 余项科研项目，获中国产学研合作创新奖（2020）。

郑志勤 副教授

西南科技大学

九三学社社员，西南科技大学核废国防实验室副教授，硕士生导师/留学生博士生导师，法国图卢兹第三大学博士。四川省特聘专家，九三学社西南科技大学委员会副主委，西南科技大学留学联谊会副会长。主要从事纳米杂化材料、复合多功能光电材料以及新能源材料设计研发等研究方向。

孙靖宇 教授

苏州大学

苏州大学能源学院特聘教授，博士生导师，牛津大学博士，国家四青人才，江苏省杰出青年基金获得者，江苏省双创人才。江苏省“先进碳材料与可穿戴能源技术”重点实验室主任，苏州大学——北京石墨烯研究院产学研协同创新中心主任，国家重点研发计划课题主持人，科学通报、J. Energy Chem.、Chinese Chem. Lett.、InfoMat等期刊的编委或青年编委，主要从事石墨烯的化学气相沉积直接生长、碳基能源材料及打印器件研究。


weinxin
我的微信
关注我了解更多内容

发表评论

目前评论：1

    • Marquita 2023年11月14日 11时59分 [value:no/]层

      I do not eｖen know how I ended up here, but I thouɡht tһіs
      post ѡaѕ ɡгеаt.
      I ԁ᧐n't қnoѡ ѡһο yοu aгｅ Ьut сегtаіnly ｙou ɑге ɡоіng t᧐
      ɑ fаmоᥙѕ bⅼοgɡег іf yοᥙ аｒe not aⅼｒеɑⅾʏ
      ;) Ⲥһｅеrѕ!

      Alѕο ѵіsit mү ρɑgе ::
      temporary phone numbers