湘潭大学陈曼芳J. Colloid Interface Sci：竹节状FeS2/NSC促进高性能锂硫电池中多硫化物的快速催化转化

第一作者：王梦情

通讯作者：陈曼芳*，余睿智*

单位：湘潭大学，宁波工程学院

电动汽车和电网储能需求的不断增长对电池开发提出了更高的要求。锂硫电池（LSBs）因其活性成分S在地球上的丰富性、2600 Wh kg^-1 的高能量密度和 1675 mAh g^-1 的高比容量而在众多电池中脱颖而出。然而，S/Li₂S 的导电性差、反应动力学差以及多硫化锂（LiPSs）扩散造成的穿梭效应严重阻碍了LSBs的进一步发展。因此，迫切需要探索一种有效的策略来减轻多硫化物的穿梭效应并提高氧化还原动力学。

基于此，湘潭大学的陈曼芳副教授和宁波工程学院余睿智副研究员在Journal of Colloid and Interface Science上发表的题为“Encapsulation of FeS₂ within N/S-Doped Bamboo-like Carbon Nanotubes for Facilitated Rapid Catalytic Conversion of Polysulfides in High-Performance Lithium-Sulfur Batteries”的研究文章。本工作通过热解硫化工艺合成了包裹在N/S共掺杂竹节状碳纳米管（FeS₂/NSC）中的FeS₂，并将其作为LSBs的涂层分离器。一维（1D）S 和 N 共掺杂碳基底材料可作为导电网络，暴露出更多的吸附位点，增强对LiPSs的捕获。此外，FeS₂还能实现LiPSs的快速催化转化。因此，这项研究为了解过渡金属硫化物及其在提高LSBs性能方面的潜力做出了重要贡献。

通过热解硫化工艺合成了FeS₂/NSC。SEM和TEM图像显示出直径约为几十纳米的规则纳米管形态。碳纳米管具有高导电性网络，可加速电荷移动，并暴露出更多的活性催化点，从而有效吸附多硫化物。在元素映射图中可以明确地检测到Fe、N、S和C的共同存在，且在材料中均匀分布，证实了FeS₂/NSC的成功制备。

Fig. 1. (a) Diagrammatic representation of materials synthesis. (b) SEM image, (c)-(d) TEM images, (e) HRTEM image, (f) Inverse FFT lattice image, SAED diffraction pattern, and (h-l) EDS elements mapping images of FeS₂/NSC.

要点二：

FeS₂/NSC的CV曲线中具有最大的峰值电流响应，表现出最优异的氧化还原动力学活性。此外，FeS₂/NSC显示了最大的锂离子扩散系数和最小的极化，说明FeS₂/NSC可以实现更快、更高效的电子/离子传递。FeS₂/NSC的氧化峰（峰A）和还原峰（峰B和C）处的Tafel斜率值明显低于NSC，这表明FeS₂/NSC更有利于促进LiPSs的氧化还原动力学。

Fig. 2. Contour plots of CV patterns for (a) NSC and (b) FeS₂/NSC with different scan rates. (c) Linear correlation of Ip with ν^1/2. (d) Comparative bar chart of Li⁺ diffusivity. (e) CV curves comparison at 0.1 mV/s. (f) ΔEH and ΔEL comparison. (g-i) Tafel curves of peaks A, B, C corresponding to CV curves.

要点三：

可视化吸附性实验验证了FeS₂/NSC对LiPSs具有最强的吸附能力，对称电池显示了FeS₂/NSC的优异催化作用，吸附前后的XPS对比图中，吸附LiPSs后，Fe的2p轨道向高结合能的方向移动。这一关键性的变化表明FeS₂/NSC与LiPSs之间存在强的化学相互作用，有利于抑制多硫化物的穿梭。

Fig. 3. (a) Ultraviolet-visible (UV–vis) spectra and optical images with attached Li₂S₆. (b) Symmetrical cells. XPS spectra of (c) Fe 2p, (d) C 1s, (e) S 2p in FeS₂/NSC and (f) Fe 2p in FeS₂/NSC-Li₂S₆.

要点四：

GITT实验表明FeS₂/NSC可以降低Li₂S成核的过电位，提高硫的利用率，促进多硫化物的转化反应动力学。在Li₂S的沉积和溶解实验中，FeS₂/NSC的容量都超过了NSC，进一步突出了FeS₂/NSC在加速LiPSs的物种转化过程方面的优越性。

Fig. 4. Galvanostatic intermittent titration (GITT) curves of the cells with (a) NSC and (b) FeS₂/NSC. (c) Intrinsic barrier to cell nucleation compared to the standardized discharge-to-charge duration. Li₂S deposition characteristics of the cells with (d) NSC and (e) FeS₂/NSC. Li₂S dissolution characteristics of the cells with (g) NSC and (h) FeS₂/NSC. (f) and (i) The dispersion of relaxation time graph in impedance spectroscopy.

要点五：

FeS₂/NSC隔膜修饰层的锂硫电池表现出良好的电化学性能，在不同倍率下有良好的循环稳定性。将电池循环30圈后搁置72 h对其进行自放电测试，测试结果显示， FeS₂/NSC 的容量衰减率（6.7%）低于 NSC 的容量衰减率（8.3%）。因此FeS₂/NSC隔膜修饰层的电池能实现LiPSs的高效催化转化，有效抑制穿梭效应，降低自放电发生率。在长循环、高硫载和高低温下，FeS₂/NSC依旧展现出良好的循环稳定性。因此，FeS₂/NSC材料作为一种优良的隔膜改性材料，为锂硫电池的全天候使用和商业化提供了新的可能性。

Fig. 5. (a) Rate performance. (b-c) Equivalent galvanostatic charge/discharge (GCD) curve. (d) Self-discharge test. Cycling performance at (e) 0 °C and (f) 60 °C. (g) Prolonged cycling tests at 0.5 C. (h) Cycling behavior under conditions of high sulfur loading.

要点六：

原位紫外测试提供了一种实时监测聚硫化物的种类变化和反应过程的能力。可以看出，当放电时间为2小时时，FeS₂/NSC/S正极比色皿中的Li₂S₈ 浓度以更快的速度增加，这表明 S₈的利用率更高。此外，当放电时间达到6小时时，FeS₂/NSC/S正极比色皿中的Li₂S₆浓度下降速度更快，这表明FeS₂/NSC对LiPSs具有高效的催化能力。此外，装有FeS₂/NSC/S正极的比色皿中的Li₂S₆浓度在充电期间以更快的速度增加，这表明它能够加速LiPSs的转化动力学，从而最大限度地减少活性材料的浪费。

Fig. 6 (a) In-situ UV-vis test, (c) Voltage profiles and (e) Absorbance data of the dissolved LiPSs with NSC/S. (b) In-situ UV-vis test, (d) Voltage profiles and (f) Absorbance data of the dissolved LiPSs with FeS₂/NSC/S.

总之，FeS₂/NSC复合材料是通过热解硫化法制备的，可用作LSBs中的功能分离剂。FeS₂/NSC独特的竹节状导电网络具有更高的表面体积比，暴露出更多的活性位点，N和S的共掺杂大大提高了锚定LiPSs的能力，FeS₂可以实现更高效的LiPSs催化转化，并成功地缓解了穿梭效应。通过原位紫外可见光谱测试，FeS₂/NSC催化LiPSs转化的机理证明了其卓越的催化能力。此外，它在各种温度条件下（包括低温（0 °C）和高温（60 °C））都表现出卓越的循环稳定性和显著的容量保持率，100 次循环后的容量保持率分别为92.8%和76.3%。因此，在不同环境条件下表现出的稳健特性证明了这项研究的应用意义，并为 LSBs未来的商业化前景提供了有意义的启示。

Encapsulation of FeS₂ within N/S-Doped bamboo-like carbon nanotubes for facilitated rapid catalytic conversion of polysulfides in high-performance lithium-sulfur batteries, J. Colloid Interface Sci, 2025: 137298.

陈曼芳，副教授，硕士生导师。目前主持了国家自然科学青年基金项目、中国博士后科学基金特别资助（站前）、湖南省自然科学面上基金项目等省部级以上项目7项，以第一作者和通讯作者在国际重要期刊Advanced Functional Materials、Small、Journal of Materials Chemistry A、Carbon、Chemical Engineering Journal等上发表科研论文36篇，共发表科研论文90余篇，H指数 34，论文被引2500余次，其中有一篇被评选为2019年热点论文，多篇被评为高被引论文，申请发明专利多项。获湖南省优秀博士毕业论文、宝钢优秀学生奖、湖南省普通高校百佳大学生党员、博士研究生国家奖学金（2次）、第二十四届研究生校长奖特等奖学金、伟人之托奖学金、芙蓉学子•学术创新奖等荣誉和奖励。