陈浩副教授、钟育霖教授和苏陈良教授AFM：强吸附和快速催化转化的高效协同助力高性能锂硫电池

第一作者：黄子默，朱俞宣

通讯作者：苏陈良*，钟育霖*，陈浩*

单位：广工工业大学，格里菲斯大学，深圳大学

“锂硫电池具有超高理论容量和能量密度，同时，其成本低廉，原料硫正极资源丰富，是最有前途的下一代储能设备之一。然而，锂硫电池的一些固有缺陷一直阻碍着其实际应用。首先，锂硫电池的充放电过程是在硫和硫化锂两个绝缘体之间进行的，这导致电极材料（硫）的利用率低，反应动力学缓慢。此外，由于多硫化物中间体在电解质中的高溶解度，溶解的多硫化物倾向于在S正极和金属锂负极之间迁移，腐蚀阳极，并导致活性材料的不可逆损失，即众所周知的锂硫电池的“穿梭效应”。此外，近年来， Ti₃C₂T_x（MXene）作为一种新的二维材料已被用作硫的催化主体材料试图去解决上述锂硫电池的固有缺陷。但是，目前的研究仅集中在MXene优异的导电性和大的比表面积上。MXene在复合材料中的催化机理仍有争议，需要进一步探索。

近日，广工陈浩/格里菲斯大学钟育霖/深圳大学苏陈良教授团队提出由简单的静电纺丝和碳化工艺制备的La₂O₃-MXene异质结构嵌入碳纳米纤维的制备的高效催化材料(La₂O₃-MXene@CNF)作为锂硫电池多功能载体。作者们指出La₂O₃结构提供的强大吸附能力可以捕获足够的溶解LiPSs用于后续的催化转化，而MXene表面羟基端基产生的不溶性硫代硫酸盐中间体，通过“Wackenroder反应”促进LiPSs快速转化为Li₂S。因此La₂O₃-MXene@CNF/S电极在锂硫电池中表现出优异的电化学性能。该研究成果发表在国际顶级期刊Advanced Functional Materials；https://doi.org/10.1002/adfm.202303422）。

La₂O₃-MXene@CNF是通过简单的静电纺丝和碳化工艺所合成，如图1a所示。首先，按照我们之前工作中报道的相同程序，通过对MAX相进行电化学蚀刻来制备2D Ti₃C₂T_x MXene纳米片。然后，将MXene纳米片与聚丙烯腈（PAN）和镧盐在N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂中混合，并在14kV高压下静电纺丝后形成纳米纤维。最后，在800℃的Ar气氛下对静电纺丝得到纤维进行碳化，形成由碳纳米纤维包裹的异质结La₂O₃-MXene材料。EDS元素分析表明La₂O₃-MXene@CNF中La、Ti、O和F元素分布均匀（图1e）。此外，如图1f所示，La₂O₃-MXene@CNF在La₂O₃的（011）晶格平面和Ti₃C₂T_x MXene的（110）晶格平面之间可以观察到明显的原子级边界，这表明La₂O₃-MXene异质结构的形成。

对La₂O₃-MXene@CNF的LiPS吸附作用前后进行了比较分析。结果表明，与La₂O₃和MXene相比，La₂O₃-MXene异质结构对LiPS的吸附能最高。由于Ti-S（MXene）和La-S（La₂O₃）的双重强吸附极性键，La₂O₃-MXene异质结构具有最佳的LiPSs吸附能力，这有效地抑制了LiPSs的穿梭效应。

本文通过不同的电化学测试分析，研究了La₂O₃-MXene异质结构的催化性能，这其中包括对称电池CV测试，Li₂S沉积实验，不同扫速CV测试，恒电流间歇滴定（GITT）测试以及电极内部阻抗分析。并且，通过DFT计算计算了放电过程中硫转化的吉布斯自由能变化。结果表明，La₂O₃-MXene异质结构拥有最低转化值，这验证了在热力学上比La₂O₃-MXene异质结构更有利于硫物种的转化。

图4展示了充放电过程中的原位XRD图谱，清楚地证明了从S8到LiPSs，最后到Li₂S的转化过程（图4b和4e）。从原位XRD结果来看，La₂O₃-MXene异质结构可以有效地促进LiPS的转化和Li₂S的成核。图4g展示了La₂O₃-MXene@CNF/S异质结构电极在高硫载（7.0 mg cm⁻²）和贫电解液（5 μL mg⁻¹）条件下的电化学性能。扣式电池和5Ah软包电池均表现优异的电化学性能，验证了该锂硫电池的实际应用前景。

Efficient Synergism of Chemisorption and Wackenroder reaction via Heterostructured La₂O₃-Ti₃C₂T_x -Embedded Carbon Nanofiber for High-Energy Lithium-sulfur Pouch Cells

陈浩，广东工业大学可持续发展创新技术研究院特聘副教授，博士毕业于澳大利亚格里菲斯大学，随后在昆士兰科技大学和格里菲斯大学催化与清洁能源中心开展博士后研究工作。2023年加入于广东工业大学可持续发展创新技术研究院和轻工化工学院，从事锂离子电池粘结剂和固态电池的研究工作。目前，以第一作者或通讯作者在Chemical Reviews, Materials Today, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials, Nano Energy等国际知名期刊发表SCI论文16篇，撰写英文专著1章节。目前，共发表SCI论文50余篇，论文共引用1900余次， H因子19。

钟育霖，澳大利亚格里菲斯大学副教授：钟育霖博士毕业于新加坡国立大学，后在美国普林斯顿大学和麻省理工大学从事博士后研究工作，目前以副教授身份就职于澳大利亚格里菲斯大学，在电化学材料合成和新能源材料与器件的研究方面有深厚的研究基础。迄今为止，以第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.（4篇）， Adv. Mater. ， ACS Nano， Adv. Funct. Mater.，Chem. Mater.等国际知名期刊上发表SCI论文35篇；另合作发表SCI论文37余篇，共发表72余篇；论文共引用超过6000余次（Web of Science），H因子37。2021年，申请人获评Australian Research Council Future Fellowship（澳大利亚研究基金会未来研究员）。此外在申请人还获得了Australian Research Council Discovery Early Career Researcher Award（澳大利亚研究委员会发现型早期职业研究者奖）并主持了Australian Research Council Discovery Project（澳大利亚研究委员会探索计划）。

投稿请联系contact@scimaterials.cn