广西大学尹诗斌教授团队，CEJ：双面神Ni3Fe−Fe2VO4异质结构实现多硫化物的原位吸附及催化

第一作者：王海泉

通讯作者：尹诗斌*，Panagiotis Tsiakaras*，杨乐*

锂硫电池具有较高的能量密度，被认为是非常有吸引力的下一代储能系统。然而其受制于穿梭效应和反应动力学缓慢等问题，暂未被广泛应用。研究表明，解决上述问题要从吸附和催化的角度进行研究，且吸附和催化要相辅相成才能实现最佳效果。因此需要选择合适的吸附和催化材料，研究如何将二者有机结合，使之发挥1+1>2的效果具有重要意义。

近日，广西大学尹诗斌教授团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“In-situ adsorption and catalysis of polysulfide on Janus Ni₃Fe-Fe₂VO₄heterostructure for Li-S batteries”的文章。研究团队设计了具有双面神特殊构型的Ni₃Fe-Fe₂VO₄异质结构材料，Fe₂VO₄和Ni₃Fe分别为多硫化物的吸附和催化位点。这种一对一对应的双面神结构使两种材料紧密接触且具有接近的暴露面积，不仅平衡了吸附和催化效果，使材料被高效利用，且两种位点的空间耦合可以实现多硫化物的原位吸附-催化，减少多硫化物从吸附位点到催化位点的扩散过程，极大地提高了转化效率。

此外，异质界面实现了电荷的重新分布，使Ni₃Fe和Fe₂VO₄的催化和吸附效果均获得强化。实验结果表明，使用Ni₃Fe-Fe₂VO₄材料修饰隔膜的锂硫电池表现出良好的循环性能。在0.2 C下500次循环后放电比容量仍保持983.6 mAh g⁻¹，容量衰减率仅为0.028%，在2.0 C倍率下，初始放电比容量达877.5 mAh g⁻¹，比使用普通聚丙烯隔膜的电池(539.5 mAh g⁻¹)高62.7%。即使在低E/S比(5 μL mg⁻¹)条件下，在500次循环中也能提供0.038%的低容量衰减率，远低于普通聚丙烯隔膜(0.109%)。这项工作对研究Li-S电池的连续吸附和催化转化过程具有重要意义。

TEM测试结果表明Ni₃Fe和Fe₂VO₄两种活性位点紧密接触，且二者之间存在共价连接的异质界面。XPS测试结果表明，Ni₃Fe和Fe₂VO₄之间存在较强的界面耦合效应，引起电子的重新分布，电子由Fe₂VO₄转移到Ni₃Fe，有利于分别提高Fe₂VO₄和Ni₃Fe的吸附和催化能力。

实验结果表明，Ni₃Fe为催化位点的活性物质，Fe₂VO₄为吸附位点的活性物质。但是由于功能单一，其优势在全电池中难以充分发挥。通过构建Ni₃Fe-Fe₂VO₄异质结构可以弥补二者劣势，取长补短，大幅提高其整体性能，从而表现出良好的放电容量和循环稳定性。在此基础上研究了不同比例的Ni₃Fe和Fe₂VO₄的效果，发现Ni₃Fe过量，电池容量高但衰减快，Fe₂VO₄过量则相反，只有吸附和催化平衡时，电池才拥最佳的放电容量和容量保持率。Ni₃Fe-Fe₂VO₄/CB还提高了隔膜对电解液的浸润性，从而提高了隔膜的离子电导率。此外Ni₃Fe-Fe₂VO₄还有利于促进Li2S成核沉积，提高液固及固固反应速率。

吸附多硫化物后Ni₃Fe-Fe₂VO₄/CB的拉曼光谱表明多硫化物化学吸附在材料表面，XPS光谱表明Ni₃Fe-Fe₂VO₄被少量还原，而多硫化物被固定在材料表面，少量被氧化为硫代硫酸盐，进一步生成聚硫酸盐。从而证明Ni₃Fe-Fe₂VO₄材料的化学吸附过程。在此基础上结合已有的物理及电化学表征，揭示了Ni₃Fe-Fe₂VO₄材料对多硫化物的原位吸附-催化的机制。

双面神异质结构可以使得吸附和催化材料二者有机结合，巧妙地解决锂硫电池面临的穿梭效应和反应动力学缓慢的问题，但当前对异质结构材料尤其是双面神异质结构的研究仍然有限，对其机理的解释尚浅，因此需要对该结构材料进一步研究。此外锂硫电池的充放电过程涉及一系列反应及相变过程，因此需要更多的原位表征手段(如原位紫外/拉曼光谱等)，从而对充放电中间产物及状态进行追踪。该工作通过一系列测试和表征研究了Ni₃Fe-Fe₂VO₄双面神异质结构材料在锂硫电池中的作用，为金属-金属化合物异质结构的合理设计提供了可行的方案，将助力高性能长寿命锂硫电池的发展。

In-situ adsorption and catalysis of polysulfide on Janus Ni₃Fe-Fe₂VO₄heterostructure for Li-S batteries

杨乐：助理教授、硕士生导师。研究方向：锂/钠离子电池，先进电极和电解液材料的改性及应用，固态电解质等。近年来以第一或共同第一作者在Advanced Materials、Small、Nano Research、Carbon、Journal of Energy Chemistry等国际期刊发表研究论文10篇，授权中国发明专利2件。

王海泉：广西大学化学化工学院2021级硕士研究生，研究方向为锂硫电池功能化隔膜。

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