赵焱教授CEJ观点： 锂硫电池催化材料新进展：MA MX-NiSe₂异质结构提高反应动力学

第一作者：魏莎莎

通讯作者：张召富*，熊艳*，何秋*，赵焱*

单位：四川大学，武汉大学

锂硫电池凭借2600 Wh kg^–1的超高理论能量密度和1675 mA h g^–1的理论比容量，被视为下一代储能技术的领跑者。然而其商业化进程仍面临两大核心挑战：一是多硫化物穿梭效应导致活性物质流失与容量快速衰减；二是硫及其放电产物（Li₂S₂/Li₂S）的绝缘特性引发氧化还原动力学迟滞。为此，本研究创新性采用微波辅助法合成MXene–NiSe₂异质结构硫载体材料，通过三个维度改善锂硫电池反应动力学：相较于传统合成工艺，微波法展现出快速、安全的显著优势；异质结构表面形成强化学键锚定多硫化物，同步促进Li⁺快速扩散动态优化；实验与DFT计算证实，该结构显著降低Li₂S分解能垒，加速硫还原（SRR）与硫析出（SER）双向反应。基于双功能催化剂MA MX–NiSe₂@C的锂硫电池，在2C倍率下历经1000次循环后，每循环容量衰减率为0.054%。这项研究强调了MA MX–NiSe₂@C异质结构作为先进锂硫电池应用的有前景的材料。

本研究创新采用微波辅助技术，在二维MXene纳米片碳层中高效构筑NiSe₂纳米粒子异质结构（MA MX–NiSe₂@C），成功开发出兼具吸附与催化功能的锂硫电池硫载体材料。理论模拟揭示，MXene–NiSe₂异质界面具有高载流子浓度与导电特性，不仅能适度吸附多硫化物（LiPS），更显著降低Li₂S分解能垒至0.54 eV，同步优化硫还原（SRR）与硫析出（SER）反应动力学。实验证实，该材料通过促进LiPS向Li₂S的高效转化，有效抑制穿梭效应，并在0.1C下实现1222 mA h g^–1的高初始比容量，2C倍率循环1000次后容量衰减率仅为0.054%，展现出优异的倍率性能与循环稳定性。本研究提出的微波合成策略为设计高性能MXene–过渡金属硫族化合物（TMS）异质结电催化剂提供了新范式，深化了对多相催化机制调控锂硫电池氧化还原动力学的理解。

Fig. 1 Schematic illustration showing the preparation process of the a) MXene and b) Microwave-assisted preparation of MA MX–NiSe₂@C.

Fig. 2. a) TEM image of MXene; b-d) SEM image of (b, c) MA MX–NiSe₂@C and (d) MX–NiSe₂@C; e, i) TEM image of MA MX–NiSe₂@C and MX–NiSe₂@C; f, j) High-resolution TEM image of MA MX–NiSe₂@C and MX–NiSe₂@C; g, k) Lattice distance profiles; h, l) SAED pattern of and element mapping of MA MX–NiSe₂@C.

Fig. 3. a) XRD patterns of MA MX–NiSe₂@C and MX–NiSe₂@C; b) Raman spectra of MA MX–NiSe₂@C, MX–NiSe₂@C and MXene; c) XPS full spectra and d) Ni 2p; e) Se 3d; f) Ti 2p of MXene, MA MX–NiSe₂@C and MX–NiSe₂@C; g–h) 3D charge density difference of MXene–NiSe₂ heterostructure interface.

Fig. 4. a) UV–Vis spectra of Li₂S₆ solutions after exposure at different adsorbents for 5 h, optical photographs of MXene/Li₂S₆, MA MX–NiSe₂@C/Li₂S₆, and MX–NiSe₂@C/Li₂S₆ dispersions at 5 h; b) Binding energies of various sulfur species adsorbed on MXene–NiSe₂, NiSe₂ and MXene (Ti₃C₂O); c) The optimized adsorption conformations of various sulfur species on MXene–NiSe₂; d) The Gibbs free energy profiles of LiPSs on MXene–NiSe₂, NiSe₂ and Ti₃C₂O; e–f) Li₂S decomposition energy barrier on Ti₃C₂O, NiSe₂, and MXene–NiSe₂ surfaces; g) CV profiles of various Li–S cells at a scan rate of 0.1 mV s^-1; h) CV curves of MA MX–NiSe₂@C at 0.2–0.5 mV s^-1; i–j) The linear relationship of peaks A, B, and C in terms of Ip-v^1/2 and the fitting slope; k) The diffusion coefficient of Li–ion calculated from the CV redox peaks according to the Randles–Sevcik equation; l) Chronoamperometry curves of a Li₂S₈ solution at 2.05 V on MA MX–NiSe₂@C, MX–NiSe₂@C and MXene electrodes.

Fig. 5. a) EIS spectra of MXene, MA MX–NiSe₂@C and MX–NiSe₂@C; b) Rate performance of MXene, MA MX–NiSe₂@C and MX–NiSe₂@C; c) Charge-discharge profiles at different catalysts at 0.1 C after cycling of MXene, MA MX–NiSe₂@C and MX–NiSe₂@C; d) ΔE and Q2/Q1 values obtained from galvanostatic charge-discharge curves of various catalysts at current density 0.1 C; e) Overpotentials of the SRR while the different electrodes were being discharged.; f) Galvanostatic charge-discharge profiles with different current rates of MA MX–NiSe₂@C; g) Cycling performance at 0.1 C; h) Long-term cycle performance at 2 C of Li–S cells with MXene, MX–NiSe₂@C and MA MX–NiSe₂@C.

Fig. 6. a) Cycling performance of MA MX–NiSe₂@C cathode at different sulfur loading of 2.5, 4.2, and 6.6 mg cm^–2, respectively; b) Cycle performance of MA MX–NiSe₂@C-based pouch cells; c-e) Based on MA MX–NiSe₂@C cathodes in-situ Raman spectroscopy of Li–S batteries with under 0.2C discharge conditions.

采用微波辅助技术实现MXene–NiSe₂@C异质结构的快速精准合成，30分钟内完成NiSe₂纳米粒子嵌入与界面构筑，相较传统高温煅烧法制备能源材料效率显著提升，能耗显著降低，且规避高压反应风险，为大规模制备高一致性电极材料提供绿色高效新路径。

要点二：MXene异质界面“吸附-催化”协同机制

微波诱导策略构建的MXene–NiSe₂@C异质结构材料，相较于传统制备的MX–NiSe₂@C及单一MXene材料展现出显著提升的锂硫电池催化性能。该异质结构通过微波辅助技术实现NiSe₂纳米晶体的精细调控与均匀分布，同时碳包覆层有效抑制MXene纳米片堆叠，构建了高效的电子传输网络。实验表征结合理论计算证实，优化后的异质界面不仅暴露丰富活性位点，更通过适度吸附能力和降低Li₂S分解能垒(0.54eV)实现"吸附-催化"双功能协同，提升电催化活性，独特的结构设计同步优化了多硫化物扩散动力学，降低电池极化电压，有效抑制穿梭效应。基于MA MX–NiSe₂@C的电池在0.1C下展现出1222 mA h g⁻¹高初始比容量，2C倍率下，1000次循环后，每次循环容量衰减率低至0.054%。

要点三：未来研究方向与挑战

尽管微波方法高效构建了MA MX–NiSe₂@C异质结构显著提升了界面催化活性，但在高硫载量体系以及软包电池仍然表现出严重的穿梭效应。为此，未来研究中需要进一步探索更精细的结构控制策略，以全面优化异质结构界面的特性，可使用微波策略扩展材料体系以及优化反应条件提升性能。该设计策略为高效开发锂硫电池电催化剂提供重要基础。

Investigating MA MX–NiSe₂@C heterostructures to boost reaction kinetics in Lithium-Sulfur batteries

赵焱教授简介：四川大学教授、博导，国家高层次人才，四川省天府峨眉计划专家，湖北省“百人计划”专家，长期从事理论计算化学和计算材料学等领域的研究工作，在高精确度理论化学数据库的发展、新一代密度泛函的开发和应用、纳米材料的模拟、材料人工智能设计与智造、3D打印等领域做出了开拓性贡献。全世界许多研究小组应用赵焱教授发展的M06密度泛函方法进行理论计算模拟研究，有多位诺奖获得者运用过M06系列泛函，并且有200多篇Nature和Science及其子刊的论文都运用了赵焱教授发展的M06理论计算方法。目前已在其研究领域的国际权威刊物上发表高水平研究论文280余篇，SCI引用超过7万次(Web of Science)，其中M06论文单篇引用超过2万次，H因子为81，2014-2017连续4年入选科睿唯安“全球高被引科学家”，2022年入选爱思唯尔“中国高被引学者”。美国惠普公司MJF-3D打印技术的主创人员之一，MJF-3D打印技术已经在全球打印了1.7亿多工业部件，获授权国际专利25项。目前担任Energy Environ. Mater.副主编，Interdiscip. Mater.学术编辑，Nanomaterials编委。

魏莎莎，武汉大学工业科学研究院2022级博士生