王新/陳忠偉Angew: 應力工程調控的Mxene/CNT多級中空微球實現優異的多硫化物催化性能
全文速覽
本文報道了一種新型的MXene/CNT分級中空微球電催化劑，并通過拉伸應變效應調控了Mxene片層表面的電子結構，增強了其對多硫化鋰的吸附力，改善了多硫化物的氧化還原反應進程，顯著提升了硫正極的電化學性能。
背景介紹
社會的快速發展和化石燃料的日益耗竭，催生了各種新的、清潔的、強大的能源儲存和轉換技術。鋰硫(Li-S)電池因其理論能量密度高、成本低而受到廣泛關注。然而其商業應用仍面臨著諸多問題，如中間產物多硫化鋰(LiPS)的溶解和穿梭效應嚴重，反應動力學遲緩，高硫載量、低電解液用量下性能不足等等，使其難以滿足實用化需求。
雖然多種碳基材料被用來抑制LiPS的溶解和穿梭問題，然而非極性碳和極性LiPS間的相互作用較弱，長時間循環過程中，電池庫倫效率低，容量衰減嚴重。Mxene材料作為鋰硫正極材料的宿主可顯著改善穿梭效應的問題，然而其導電能力不足，多硫化物在其表面的催化轉化能力也較差，使其難以具有優異的動力學行為。為此，設計具有導電性好、固硫能力強、催化活性高的 Mxene基硫正極材料來實現在實用化條件下的優異鋰硫性能顯得十分重要。近日，華南師范大學的王新副教授聯合滑鐵盧大學的陳忠偉院士開發了一種新型的MXene/CNT分級中空微球電催化劑，并通過拉伸應變效應調控了Mxene片層表面的電子結構，提升其 d 帶電子中心，增強了對LiPS中間體的吸附力，改善了多硫化物的氧化還原反應進程，顯著提升了硫正極的電化學性能。
研究出發點
該研究通過調節Ti3C2與表面氧化層之間的非均質界面失配產生拉伸應變，從而改變d帶結構來改善其對多硫化物的表面吸附能力。密度泛函理論計算結果證明了拉伸應變的產生可提高LiPS的吸附及轉化能力，也證實了利用應變調控來改善鋰硫宿主材料的電催化效果的可行性。在施加拉伸應變后，O-TS-的Ti-Ti鍵長增加，原子間的相互作用減弱，使得d帶中心上移。此外,O-TS-
的3d和2p軌道之間能帶值的擴大使得碳原子很容易與其他原子結合,進一步削弱S-S鍵以促進其斷鍵而轉化。通過應力調控后，Mxene 的電子傳輸能力和LiPSs的催化轉化能力都得以提升。因此，所設計的Mxene/CNT硫宿主表現出優異的LiPS的吸附和催化轉化性能。