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化材学院杨植教授团队在国际著名刊物ACS Nano上发表学术论文

发布时间:2022-04-15    来源:化学与材料工程学院    作者:    点击次    [点击关闭]

 

锂硫电池具有超高能量密度和低成本的特点,是下一代动力电池的有力竞争者。当前,锂硫电池商业化面临的关键挑战是缩短多硫化锂(LiPSs)中间体的存在时间,同时加速固相转化反应。为此,学术界的主要解决思路是将硫限制在具有定制表面的纳米结构中,并引入催化促进剂以结合LiPSs/Li2S,降低转化过程中的能垒。然而,传统金属基催化剂的高重量占比牺牲了电池的能量密度,表面暴露的有限活性位点无法构建充足的导电剂/催化剂/电解质三相转化界面,致使LiPSs在电解液中的大量积累,这将导致硫与电极失去紧密接触,阻碍电子/离子传输,并引起锂阳极的腐蚀。调控硫还原反应 (SRR),特别是 LiPSs向 Li2S(占总容量的75%以上)的转化,以快速降低电解液中的 LiPSs浓度是解决该问题的关键。为此,迫切需要设计高效的SRR催化剂,并形成新的SRR催化理论。

近日,我校杨植教授课题组在国际著名化学期刊《ACS Nano》发表了题为”Sulfur Reduction Catalyst Design Inspired by Elemental Periodic Expansion Concept for Lithium–Sulfur Batteries”的论文。该工作受启发于天然酶中Fe/N活性位点具有高效的氧还原反应特性(Fe/N→ORR),提出周期扩充催化的概念:利用位于Fe/N下一周期的Ru/P,构建仿生催化分子,协同催化锂硫电池中硫的还原反应(Ru/P→SRR)

作为该理论的验证,设计了具有RuP2构型的仿生分子催化剂(环戊二烯基双(三苯基膦)氯化钌(II),CTRu)用于Li-S电池的插层膜(CNTs-S@G/CTRu),其可有效吸附LiPSs、优化Li+迁移路径,并大幅促进SRR。借助原位紫外、原位拉曼和原位红外光谱等实验手段以及DFT计算系统地研究了Ru和P原子在SRR协同效应中的作用。确定空间位阻效应的消除及金属d带中心和非金属p带中心的强电子轨道耦合是SRR中周期扩充催化的本质原因。结果表明,仅需~0.5 %质量占比的CTRu催化剂就能使锂硫电池在高硫负载量(6.5 mg cm-2)和低电解质/硫比(9 μL mg-1)下表现出良好的循环稳定性。这项工作为SRR分子催化剂的设计提供了一条新思路,同时,也为锂/钠/镁–氧/硫/硒电池等相关储能领域精准筛选催化剂提供了新的见解。

相关研究结果发表于近期的《ACS Nano》(DOI: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c00515),温州大学为第一通讯单位,化学与材料工程学院2019级研究生东洋洋为第一作者,化材学院蔡冬博士与杨植教授为该论文共同通讯作者,相关工作受到国家自然科学基金(22109119、51972238、22105147、21875166)、浙江省自然科学基金(LR18E020001、LQ22B030003)、温州市基础科学研究项目(G2020002、H20210006)、温州市重大科技创新项目(ZG2021013)等项目的资助。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c00515