AS：Mo-O-C共价耦合的二硫化钼-碳基复合材料增强锂硫电池中多硫化物的催化转化
【文章信息】
Mo-O-C共价耦合的二硫化钼-碳基复合材料增强锂硫电池中多硫化物的催化转化
第一作者：张家玉
通讯作者：许国保*，张祺*，周光敏*
单位：湘潭大学，清华大学深圳国际研究生院
【研究背景】
锂硫电池因其具有高的比能量密度(2600 Wh kg-1)、成本低和环境友好等特性，是非常有前景的下一代高比能电池。但锂硫电池在充放电过程中间产物溶解于电解液造成的多硫化物穿梭会引起锂硫电池快速的容量衰减、严重的自放电、低的库伦效率等一系列问题，对其实际应用性能产生严重损害。二硫化钼/碳复合材料作为锂硫电池隔膜修饰材料，能有效吸附与催化电解液中游离的多硫化物，从而有效抑制穿梭效应。目前关于二硫化钼/碳复合材料的研究可以大致分为两类：
1) 通过设计二硫化钼(MoS2)的微纳结构，使其获得更多的活性边缘位点，然后与碳材料结合协同促进锂硫电池中LiPSs的吸附与催化转化。
2) 通过设计MoS2和导电碳的微纳结构复合材料，利用其各自优势协同增强多硫化物的捕获-扩散-转换过程。
上述策略虽已广泛的应用于锂硫电池，并已经取得了显著的效果。然而在协同作用下如何发挥两种材料的最大化优势，两者的电子传导及价键耦合是关键。
【文章简介】
基于此，湘潭大学的许国保副教授与清华大学深圳国际研究生院的张祺博士及周光敏副教授合作，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Mo-O-C Between MoS2 and Graphene Toward Accelerated Polysulfide Catalytic Conversion for Advanced Lithium-Sulfur Batteries”的研究论文。
通过DFT理论计算结果证明在二硫化钼与氮掺杂碳间形成Mo-O-C键能有效提高二硫化钼与碳之间的电子传输，增强二硫化钼边缘位点对多硫化物液-固的双向转换的催化能力。基于理论计算结果，制备出纳米花状MoS2与3D碳基体（氮掺杂还原氧化石墨烯和碳化三聚氰胺泡沫）通过Mo-O-C键共价耦合而成的复合材料(MoS2@CF-NRGO)。
3D氮掺杂碳基体具有高比表面积和优异导电性；纳米花状的MoS2有丰富的边缘活性位点；更重要的是，MoS2@CF-NRGO界面的Mo-O-C键共价耦合能疏通两者间的电子传导，进而协同增强对多硫化物的催化转化。得益于MoS2@CF-NRGO增强的电子/离子传输、对多硫化物穿梭的有效抑制和对Li2S沉积和解离的改善，MoS2@CF-NRGO修饰隔膜装配的锂硫电池展现了良好的电化学性能。
【创新点】
1. 理论上Mo-O-C键共价耦连使电子在氮掺杂碳和MoS2间高效传输，促进了复合材料的协同效应，增强了多硫化物的催化转化，特别是加速Li2S的分解动力学。
2. 得益于复合材料增强的协同效果，实验室上制备的MoS2@CF-NRGO复合材料对多硫化物的捕获-扩散-转换过程展现出了良好的促进能力。
【图文解读】
图1.第一性原理计算分析
图2.材料制备示意图和形貌结构表征图
图3. 复合材料的结构表征和对多硫化物的吸附、催化转化分析
图4. 复合材料修饰隔膜应用于锂硫电池中的电化学性能
图5. 电化学-原位拉曼对放电过程中多硫化物的实时监控分析
【本文要点】
要点一：共价耦合复合材料为锂硫电池隔膜修饰材料的构筑提供了新的关注点。
通过DFT理论计算结果表明在二硫化钼与氮掺杂碳间形成Mo-O-C键能有效提高二硫化钼与碳之间的电子交互，从而增强二硫化钼边缘位点对硫化锂转换的催化能力。复合材料间的共价耦合使得两种材料间连接更加紧密，能在锂硫电池中发挥出更好的协同效果。因此在设计异质结构时，也应考虑键合对材料性能的影响。
要点二：Mo-O-C键共价耦合的MoS2@CF-NRGO复合材料展现出优异的性能。
通过Mo-O-C键合的MoS2@CF-NRGO复合材料，不仅展现出优异的多硫化物的吸附、催化转化，特别是能加速Li2S的解离动力学。当作为隔膜修饰材料应用于锂硫电池中时，电池展出有优异的电化学性能。
要点三：原位拉曼揭示Mo-O-C键共价耦合的MoS2@CF-NRGO复合材料协同效应对多硫化物穿梭的抑制。
通过电化学-原位拉曼技术，揭示了Mo-O-C键共价耦合的MoS2@CF-NRGO复合材料作为隔膜修饰层应用于锂硫电池中时，在放电过程中有效的抑制锂硫电池中多硫化物的穿梭效应。
【文章链接】
Mo-O-C Between MoS2 and Graphene Toward Accelerated Polysulfide Catalytic Conversion for Advanced Lithium-Sulfur Batteries
http://doi.org/10.1002/advs.202201579
【通讯作者简介】
许国保，副教授，硕士生导师，主要从事主要液/固态锂硫电池微纳结构设计及机理方面的研究，目前已在在Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem, A., J. Power sources., 等国际学术杂志上发表30余篇，申请发明专利4项，主持国家自然科学基金青年项目1项、湖南省创新博士后1项，获得2020湖南省优秀博士论文，并为多个国际期刊审稿人。
张祺，清华大学深圳国际研究生院博士后，主要从事电催化和电池材料的设计、构筑及机理分析，多年来结合第一性原理计算和实验研究，基于电子描述符设计构筑了一系列高性能电催化和电池材料，在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., NPG Asia Mater., Energy Environ. Sci. ACS Catal., Nano Letter., Nat. Sci. Rev., PNAS等期刊发表论文30余篇，授权发明专利3项。
周光敏，副教授，博士生导师。入选国家海外高层次人才（青年），主要研究方向为电化学储能材料与器件及电池回收，已发表论文160余篇，其中第一作者及通讯作者论文包括Nature Nanotechnology, Nature Energy, Chemical Reviews，Nature Communications, Science Advances, PNAS，Advanced Materials等。论文被引用 29600多次(Google Scholar)，40余篇入选ESI高被引论文，2018-2021连续4年入选科睿唯安全球高被引科学家。担任Energy Storage Materials期刊副编辑/科学执行编辑及多个期刊青年编委，获得包括侯德榜化工科学技术奖青年奖、广东省材料研究学会青年科技奖、能源存储材料青年科学家奖、中国科学院院长特别奖、Materials Today Rising Star Awards等奖励。
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