【原】【材料】Co0.9Zn0.1Te2@NC多面体电催化剂调节多硫化物吸附与催化转化

导语

锂硫电池中正极硫还原和氧化反应（SRRs/SORs）动力学缓慢、中间产物多硫化物的穿梭效应等问题抑制了其进一步应用。通过引入电催化剂加速多硫化物的转化动力学是当下被认为最为有效的调控方式之一。而随着研究深入，对锂硫电池中电催化剂的设计也提出了成本更低、用量更少、催化活性更高的要求。

（来源：Advanced Materials）

前沿科研成果

本文章设计了新型Co_0.9Zn_0.1Te₂@NC多面体电催化剂，通过调节和平衡多硫化物转化过程中的吸附以及解吸附过程，在仅需4%添加量时，可以在高硫面载量及贫电解液的工作条件下取得优异的性能。

图1. Co_0.9Zn_0.1Te₂@NC多面体电催化剂制备流程图（来源：Advanced Materials）

为探究Zn的不同掺杂量对电催化剂本征催化性质的影响，山东大学徐立强教授团队同时制备了CoTe₂@NC、Co_0.9Zn_0.1Te₂@NC和Co_0.8Zn_0.2Te₂@NC三种电催化剂。当引入少量过渡金属Zn原子（x=0.1)时，XRD谱图中除了主峰向低角度方向小篇幅偏移外，未观察到其他二次相的产生（图2c），通过XRD结构精修也验证了其晶胞参数的增大，表明Zn的掺杂引起了CoTe₂的晶格畸变。而当Zn的加入量增加（x=0.2）时，CoTe₂晶体结构中增加的Zn原子与Co原子难以共存，而形成新的立方相的ZnTe（图2b）。相关研究成果发表在Advanced Materials, 2022（DOI: 10.1002/adma.202204403）。

 

（来源：Advanced Materials）

通过考察不同电催化剂对硫化锂的沉积能力，进一步探索不同硫还原反应动力学差异。根据法拉第定律，分别计算了加入电催化剂后硫化锂的沉积容量。计算的结果表明：Co_0.9Zn_0.1Te₂@NC的加入不仅有效地加速了多硫化物的转化，而且有助于硫化锂的快速沉积。根据成核模型，硫化锂在Co_0.9Zn_0.1Te₂@NC中的成核方式呈现3DP模式，说明其成核不受晶面影响，更容易成核生长。除了硫化锂沉积过程外，溶解速率也尤为重要，充电过程中硫化锂的快速氧化溶解可以避免死硫化锂的积累和电催化剂活性位点的堵塞。图3i则直观地表明：含有Co_0.9Zn_0.1Te₂@NCC的碳纤维纸表面非常光滑，硫化锂完全溶解，表明Co_0.9Zn_0.1Te₂@NC电催化剂优异的双向氧化还原特性。

图3. 硫化锂沉积曲线及机理分析（来源：Advanced Materials）

在高载量和贫液条件下电池也展现出优异的性能，同时作者将其放置在商用灯具中，其可以稳定工作数小时。在软包电池条件下，可以驱动小风扇进行工作，并在弯折下也能进行工作，表现出良好的柔韧性，具有潜在的商用化价值。

图5. 点亮商用灯，驱动小风扇工作（来源：Advanced Materials）

总结：

Co_0.9Zn_0.1Te₂与碳氮原位络合通过调节金属原子的d带中心，增加的反键轨道调节了电子结构，在一定程度上提高了多硫化物的解吸能力，从而丰富了催化剂的有效活性中心。晶格应变产生的增强催化作用降低了氧化还原反应的能量势垒，促进了多硫化物的S-S桥键和硫化锂的S-Li键的断裂，并增强了氧化还原动力学过程。这项工作不仅通过晶格应变工程改善了材料的催化性能，还研究了催化与电池性能之间的关系，为理解锂硫电池中多硫化物转化的吸附与解吸附的平衡提供了新的见解。该成果以“Zinc-assisted Cobalt-ditelluride Polyhedra Inducing Lattice Strain to Endow Efficient Adsorption-catalysis for High-energy Lithium-sulfur Batteries”为题发表在Advanced Materials, 2022，文章通讯作者为徐立强教授，通讯单位是山东大学

Co_0.9Zn_0.1Te₂与碳氮原位络合通过调节金属原子的d带中心，增加的反键轨道调节了电子结构，在一定程度上提高了多硫化物的解吸能力，从而丰富了催化剂的有效活性中心。晶格应变产生的增强催化作用降低了氧化还原反应的能量势垒，促进了多硫化物的S-S桥键和硫化锂的S-Li键的断裂，并增强了氧化还原动力学过程。这项工作不仅通过晶格应变工程改善了材料的催化性能，还研究了催化与电池性能之间的关系，为理解锂硫电池中多硫化物转化的吸附与解吸附的平衡提供了新的见解。该成果以“Zinc-assisted Cobalt-ditelluride Polyhedra Inducing Lattice Strain to Endow Efficient Adsorption-catalysis for High-energy Lithium-sulfur Batteries”为题发表在Advanced Materials, 2022，文章通讯作者为徐立强教授，通讯单位是山东大学作者：Bin Wang, Lu Wang, Dong Ding, Yanjun Zhai, Fengbo Wang, Zhongxin Jing, Xiaofan Yang, Yueyue Kong, Yitai Qian, Liqiang Xu*）。