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文 章 信 息
闪光焦耳热制备异质结构催化剂抑制锂硫电池的穿梭效应
第一作者：董惠怡#，王璐#
通讯作者：化五星*，陈珂*
单位：河南大学
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研 究 背 景
锂硫（Li-S）电池具有理论能量密度高、价格低廉等优势，是极具应用潜力的下一代电化学储能器件，得到了研究者的广泛关注。然而，充放电中间产物多硫化锂（LiPSs）极易溶于有机电解液中，并在浓度梯度下引起“穿梭效应”，导致硫活性物质利用率低，负极腐蚀，循环寿命短，严重阻碍了Li-S电池的商业化进程。研究表明，通过构建高活性催化剂，加速LiPSs向充放电产物转化，避免其在电解液中累积，是抑制穿梭效应的有效策略。本篇工作利用闪光焦耳热的方法制备出W-W2C/G等异质结构催化剂，由于W（5.08 eV）和W2C（6.31 eV）的功函数不同，在异质结构界面产生一个自发的内电场，加速了电子和离子的移动，从而促进了硫还原反应（SRR）过程，有效的抑制了穿梭效应。
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文 章 简 介
近日，河南大学的化五星研究员与陈珂教授在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Flash Joule Heating: A Promising Method for Preparing Heterostructure Catalysts to Inhibit Polysulfide Shuttling in Li–S Batteries”的研究性论文。该论文重点介绍了超快焦耳热制备异质结构催化剂的优势，异质结构界面产生的内电场加快了LiPSs的转化，有效抑制了穿梭效应。
图1. W-W2C/G异质结构加速LiPSs转化示意图，以及W-W2C/G的催化活性表征
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本 文 要 点
要点一：闪光焦耳热制备异质结构催化剂
采用闪光焦耳热法合成了W-W2C/G、Mo-Mo2C等异质结构催化剂，且该方法具有普适性，可以实现大规模异质结构催化剂的快速原位合成。超快的加热/冷却过程和较短的生长时间促进了异质结构催化剂纳米颗粒的均匀分散，形成了大量的异质结构界面，有效防止了聚集引起的催化活性衰减。
要点二：W-W2C/G异质结构优异的催化活性
密度泛函理论（DFT）计算表明，W（5.08eV）的功函数小于W2C（6.31 eV），驱动电子从W流到W2C，从而在界面上产生一个自发的内电场，产生的内电场可以加速电子转移和离子扩散。这种结构优化了W-W2C异质结构的界面电子态，增强了LiPSs的吸附和转化过程，从而有效地抑制了LiPSs的穿梭。电化学实验结果表明，W-W2C异质结构催化剂降低了硫还原反应的活化能和充放电的过电位；多硫的穿梭系数从0.14降低到0.08 h-1，大大提高了硫活性物质的利用效率。
要点三：优异的电化学性能
得益于W-W2C异质结构的高效催化活性，Li-S电池表现出优异的倍率性能（665 mAhg−1， 5.0 C），并可以在3.0 C的高倍率下稳定循环1000圈以上，平均每圈容量衰减率只有0.06 %。此外，电池可以在高硫载量（7.9 mg cm-2）和贫电解液用量（9.0 μL mg-1）下获得高达10.9 mAh cm-2（1381.4 mAh g-1）的首圈面容量，在0.2 C下稳定循环100圈后，容量保持率仍有80.6 %。
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文 章 链 接
Flash Joule Heating: A Promising Method for Preparing Heterostructure Catalysts to Inhibit Polysulfide Shuttling in Li–S Batteries
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202405351
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通 讯 作 者 简 介
化五星研究员简介：2021年博士毕业于天津大学化工学院，同年加入河南大学，获河南省高层次人才，主要从事锂硫电池催化材料制备与机理探究。以第一/通讯作者身份在Nature Catalysis, Advanced Materials, Advanced Science, ACS Nano等学术刊物上发表多篇研究性论文。主持国家自然科学基金、中国博士后基金（面上、站中特别资助）、河南省自然科学基金和“中原英才”项目等5项。
陈珂教授简介：国家高层次青年人才、河南省中原基础研究领军人才入选者。长期致力于石墨烯等二维材料的可控生长、结构调控以及纳米光学、纳米催化等方面研究，重点研发了石墨烯光子晶体光纤、二维异质结构极化激元、金属相二维材料电催化剂等新结构与器件。以第一/通讯作者在Nat. Photon.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev. 等学术刊物上发表论文20余篇。主持中组部青年人才项目1项，国家重点项目子课题1项，国家自然科学基金面上项目等3项，省级项目3项。授权国家发明专利8项。参与编写石墨烯相关著作（章节）2部。担任中国化学会高级会员，河南省侨联青年委员会常务委员，是Exploration，Nano-Micro Letters，Nano Research等期刊的青年编委。课题组网页：https://kchenmat.henu.edu.cn
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