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兰大潘孝军/周金元&兰理工孙国文等Chem. Eng. J. 超小Ru工程调控MoS2界面用于三维Li2S成核
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兰大潘孝军/周金元&兰理工孙国文等Chem. Eng. J. 超小Ru工程调控MoS2界面用于三维Li2S成核

兰大潘孝军/周金元&兰理工孙国文等Chem. Eng. J. 超小Ru工程调控MoS2界面用于三维Li2S成核 科学材料站
2025-12-10
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导读：锂硫电池从硫到Li2S的多电子多步转化伴随可溶性多硫化物（LiPSs）产生，导致“穿梭效应”使得活性物质流失、库仑效率下降与容量快速衰减；同时，Li金属负极在充放电过程中易出现非均匀沉积与枝晶，带来严
第一作者：靳梦静
通讯作者：孙国文，周金元，潘孝军

一、【导读】

锂硫电池以其极高的理论能量密度（≈2600 Wh kg−1）、原料成本低与环境友好性，被视为未来高比能储能技术的重要方向。然而，从硫到Li2S的多电子多步转化伴随可溶性多硫化物（LiPSs）产生，导致“穿梭效应”使得活性物质流失、库仑效率下降与容量快速衰减；同时，Li金属负极在充放电过程中易出现非均匀沉积与枝晶，带来严重的安全与循环寿命问题。尽管大量工作通过构建极性宿主、引入催化剂或界面保护层分别缓解正负极问题，但如何从根本上调控固相产物（尤其是Li2S）的成核与生长行为，从而同时兼顾正极高硫利用率与长期循环稳定性，仍然是该领域的关键难题。

二、【成果掠影】

近期，兰州大学潘孝军/周金元教授团队与兰州理工大学青年教师孙国文合作，在国际期刊Chemical Engineering Journal发表了题为“Unveiling the 3D Li2S nucleation mechanism through ultra-small Ru engineering on MoS2 for high-efficiency Li–S batteries”的最新研究成果。该工作围绕锂硫电池中Li2S的成核与生长机制展开，提出并验证了一种基于超小Ru纳米颗粒调控MoS2界面电子结构的创新策略。
通过在MoS2表面构筑Ru团簇，研究团队实现了强金属–载体界面相互作用（SMSI）的精准调控，使MoS2的局域电子分布、表面吸附特性及催化转化能力发生根本性改变。最引人注目的是，该策略成功将Li2S从传统二维覆膜式沉积转变为更有利于电化学反应持续进行的三维颗粒式成核模式。
这种“成核模式转变”使得硫的深度利用、界面动力学以及最终循环稳定性均获得显著提升。结合原位Raman、Li2S沉积实验及密度泛函理论计算（DFT）等多尺度证据，论文系统揭示了超小Ru工程调控Li2S成核的完整机制链条。

三、【核心创新点】

本研究围绕“超小Ru工程如何改变Li2S成核模式”这一关键科学问题展开，提出了一套基于界面电子结构调控的全新策略。
  1. 超小Ru纳米簇的构建，实现强界面耦合调控：通过在MoS2表面锚定sub-nm级Ru纳米颗粒，形成显著的金属–载体相互作用（SMSI），有效重构 MoS₂ 的局域电子结构，使其在吸附 LiPSs、分解中间体以及Li₂S成核过程中表现出全新的界面反应特性。
  2. 正极端加速LiPSs的深度转化反应，Ru纳米簇在MoS2上形成高密度活性位，可显著降低Li2S6/Li2S2的分解与转化能垒，提升液–固及固–固阶段的电催化动力学，使硫的还原过程更加可逆、快速、彻底。
  3. 成核机制调控：从二维“覆膜式”转向三维“颗粒式”沉积，Ru引入后所诱导的电子结构变化显著降低Li2S的成核能垒，使其从传统的二维平面成膜（易造成钝化）转变为三维粒子成核模式，避免终端产物阻塞电子/离子通道，从根本上改善正极的反应持续性与硫利用率。
  4. 电子结构调控驱动快速电荷迁移：Ru与MoS2之间的界面电荷重新分布使Mo–S键的电子密度得到优化，形成快速电子转移通道（MoS2 → Ru），增强固相界面的电子导通性，为加速LiPSs → Li2S的多步转化提供高效电子供应。

四、【数据概览】

图1展示了Ru@MoS2-CNFs复合材料的制备策略及其微观结构特征，通过静电纺丝制备高比表面积的CNFs作为导电基底，再通过水热法在纤维表面垂直生长MoS2纳米片，并在其表面均匀负载超小Ru纳米颗粒，实现金属-载体的稳固界面。SEM、TEM和HRTEM图像显示MoS2纳米片覆盖均匀且Ru颗粒尺寸约2 nm，同时HAADF-STEM及元素映射确认Ru、Mo、S在复合结构中的均匀分布及MoS2 1T相的形成。此图清晰说明了Ru纳米颗粒在MoS2表面诱导相转变、形成活性1T相，并建立了稳定的催化界面，为后续电化学性能提升提供基础。
图2通过XRD、Raman、ESR和XPS表征了Ru@MoS2-CNFs的晶体结构、相组成及电子特性，结果显示Ru负载诱导MoS2由2H相部分转变为1T相，ESR信号增强表明Ru-MoS2间电子传递增强，XPS谱峰轻微向低能量偏移，说明Ru与MoS2之间发生电子积累和界面电荷调控，从而提升对锂多硫化物（LiPSs）的吸附和催化能力。
图3结合DFT计算和实验验证，揭示了Ru@MoS2-CNFs对LiPSs的吸附机制与电子结构调控作用，Bader电荷分析显示Ru向MoS2表面转移电子形成异质界面，PDOS分析说明Ru-d轨道与S-p轨道强耦合促进电荷传递，降低Li2S2/Li2S形成能垒，形成纵向LiPSs-Ru-MoS2电子通道，并通过对称电池CV、Tafel和计时安培曲线确认其显著加速硫还原反应动力学。
图4通过CV、Tafel、Li2S沉积、GITT、EIS及动力学分析系统评估Ru@MoS2-CNFs的电化学性能，结果显示其在Li2S生成与沉积过程中降低内部阻抗，促进三维沉积模式并显著降低固相转化能垒，从而实现快速离子传输和高效LiPSs转化，防止催化剂钝化，并提高硫利用率。
图5-6通过电化学剖析、HRTEM、XRD、XPS及原位Raman光谱进一步展示了Li2S在不同电极表面的沉积模式和转化行为，Ru@MoS2-CNFs表现出三维颗粒生长，有利于电解液浸润及持续反应，同时LiPSs快速转化为Li2S2/Li2S，抑制LiPSs积累；相比之下，MoS2-CNFs主要表现二维层状生长，导致催化钝化和多硫化物穿梭效应。
图7总结了Ru@MoS2-CNFs在速率性能、放电平台、循环稳定性及高硫负载下的优势，显示其具有低Li2S成核过电位、高Q2/Q1比值和优异循环稳定性，表明超小Ru纳米颗粒显著提升了LiPSs转化动力学及整体锂硫电池性能。

五、【成果启示】

该研究表明，通过在MoS2上锚定超小Ru纳米颗粒，不仅能够构建稳定的催化界面和高活性1T相，还能显著提升锂多硫化物的吸附与转化动力学，为高性能锂硫电池设计提供了一条有效策略。
文献链接:Mengjing Jin, Rui Wang, Shimin Wang, Ru Chen, Jiayue Li, Yanchun Wang, Renqian Tao, Guowen Sun, Jinyuan Zhou, Xiaojun Pan,Unveiling the 3D Li2S nucleation mechanism through ultra-small Ru engineering on MoS2for high-efficiency Li-S batteries, Chemical Engineering Journal, 2025, 171566, ISSN 1385-8947,https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171566.
免费下载链接: https://authors.elsevier.com/c/1mDhI4x7R2oO0b

六、【作者简介】

【通讯作者简介】
孙国文：兰州理工大学青年教师，研究方向为能源材料与器件，主要面向场调控催化剂的应用研究。近五年共发表SCI论文27篇（其中SCI二区及以上论文22篇），一作及共一/通讯作者在J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, Energy Storage Materials, Chemical Engineering Journal等国际高水平期刊发表SCI论文11篇，H-index=12；任Renewable and Sustainable Energy期刊青年编委。主持甘肃省优秀研究生项目1项，中央高校基本科研业务费1项，入选2024年度中国科协青年人才托举工程博士生专项计划。担任ACS Nano、Small、Journal of Energy Storage等国际期刊的审稿人。
周金元：兰州大学物理学院教授、博士生导师，2021年增选为材料与化工专业学位研究生教育指导委员会委员。迄今为止，主持和参与省部级项目6项，已在Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Edit.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、eScience、Energy Storage Mater.、Sensor Actuat. B-Chem.、Appl. Phys. Lett.等国际知名SCI期刊杂志上发表了200余篇学术论文。
潘孝军：兰州大学物理科学与技术学院教授、博士生导师。2003年7月获兰州大学理学学士学位，2008年7月于兰州大学凝聚态物理专业获理学博士学位。曾公派至海外学习／研究：2007–2008年赴新加坡南洋理工大学，2008–2010年在香港城市大学超金刚石与先进薄膜研究中心从事博士后研究。长期从事半导体光电材料及器件、新能源材料（包括离子电池、超级电容器等储能器件）研究，在这些领域具有丰富经验和系统积累。迄今已在国际期刊（如ACS Nan,APL, JMCA, Carbon, Journal of Power Sources, Chem. Eng. J.等）发表SCI论文100余篇。

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