温州大学化学与材料工程学院

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科学研究

我院杨植教授课题组在锂硫电池领域取得系列研究进展

发布时间:2020-06-17    来源:化材学院    作者:    点击次    [点击关闭]


锂硫电池具有高的理论比容量(1675mAh/g )和比能量(2600Wh/kg ),且正极硫具有储量丰富、价格低廉、环境友好、生物相容性高、毒性低等优势,已成为了目前极具应用潜力的储能器件之一。而要实现此类材料真正大规模商业化应用,在硫正极的研究方面仍然存在诸多重要的基础科学问题亟待突破:如:多硫化物聚集、穿梭现象严重,而现有催化剂对其转化效率有限;目前报道的大多数硫转化催化剂结构复杂,难以准确揭示构效关系;从S8Li2S的转化涉及16电子复杂历程,硫转化机制尚不清晰等。

近期,温州大学杨植教授课题组由血红素作为诸多天然酶的活性中心受到启发,结合仿生催化的设计理念,设计开发出了基于羧基功能化碳纳米管固定的血红素人工模拟酶,用于高效促进硫转化,以提升电池性能,取得巨大的进展。相关研究成果发表在近期的材料类著名杂志Advanced Functional Materials(2020, DOI:10.1002/adfm.202003354, IF=15.6), 我校为唯一通讯作者单位,通讯作者杨植教授,第一作者为我校硕士研究生丁欣慰同学和青年教师杨硕博士。

   

Figure 1. Schematic configuration of a Li–S battery based on three CNTs-FG@hemin cathodes (FG= NH2, OH, COOH), and the mechanism of polysulfides adsorption at the CNTs-COOH@hemin cathode. 

 

该项工作通过将仿生分子氯化血红素(hemin) 共价修饰到羧基化的碳纳米管上,合成了一种高效的仿生催化剂(CNTs-COOH@hemin) 来加速多硫化锂转化。系列原位光谱(红外、拉曼、紫外)的研究以及DFT计算表明:CNTs-COOH@hemin 中Fe-O键的Fe(III)原子可以作为有效的位点来锚定多硫化锂,同时促进长链多硫化锂转化为 S32- (或S3*-),显著抑制了穿梭效应。引入了这种仿生催化剂的阴极展示了1637 mAh g-1的初始容量和优异的循环稳定性。

在此基础上,课题组还依据锂硫电池的硫转化过程中,需要经历多步连串反应,以及固-液-固多相转化的特点,提出设计并开发了基于酞菁铁(FePc)和八氟萘(OFN)功能化石墨烯,作为双控催化硫转化系统,以提高对多硫化锂的锚定和转化。系列原位光谱、 XPS及 DFT 计算表明: FePc可以通过Fe∙∙∙S 配位键来锚定多硫化物,同时有效的剪切长链多硫化锂;OFN 可以通过锂键的作用结合多硫化锂,促进短链多硫化锂的转化。这种仿生双控催化剂(Gh/FePc+OFN)的引入不仅可以双重锚定多硫化锂,而且在硫的转化过程中可以有效地促进多步催化,显著提高对多硫化锂转化的动力学。相关结果发表在近期的化学、材料类著名杂志ACS Nano2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c03403, IF=13.9), 温州大学为唯一通讯作者单位,通讯作者杨植教授,第一作者为该校硕士生周苏雅同学和青年教师杨硕博士。

   

Figure 2. The schematic diagrams to show the adsorption and conversion mechanisms of LiPSs at the surface of (g) CNTs-S/Gh/FePc+OFN cathode, (h) CNTs-S/Gh/FePc cathode, (i) CNTs-S/Gh/OFN cathode, respectively. The yellow and green balls represent S and Li atoms, respectively.