兰州大学张振兴教授课题组Small：p型V掺杂调控MoS2的电子结构提升锂硫电池性能

第一作者：刘国，曾琦

通讯作者：张振兴*

单位：兰州大学

锂硫电池因其高比能、低成本以及环境友好等优点而有望成为下一代高性能锂二次电池，但是多硫化物的溶解以及其缓慢的反应动力学严重影响着其商业化应用。目前普遍的解决方案是在电池中引入高效催化剂，通过吸附以及催化转化的方式促进锂硫电池性能的提升。在本篇文章中，作者通过对常用的催化剂MoS₂进行掺杂的方式调节了其对于多硫化锂的吸附性能。同时降低了硫物种氧化还原反应动力学以及热力学能垒，实现了对硫物种的双向催化。

近日，来自兰州大学的张振兴教授课题组在期刊Small上发表题为“Modulating d-Band Electronic Structures of Molybdenum Disulfide via p/n Doping to Boost Polysulfide Conversion in Lithium-Sulfur Batteries”的研究文章。

该文章通过分别合成p型V掺杂和n型Mn掺杂的MoS₂，探究了两种不同掺杂类型对于提升MoS₂吸附与催化活性的影响。研究发现，p型V掺导致催化剂的d带中心更靠近费米能级，提升了其对多硫化锂的吸附性能。同时优化的电子结构降低了多硫化锂氧化还原过程中的动力学和热力学能垒，最终使得装备有V-MoS₂的锂硫电池的电化学实现了明显提升，在5C的电流密度下可以实现5000次的长期循环。

以V和锰元素分别作为p型和n型杂质原子进行掺杂。分别制备出了两种掺杂环境下的催化剂样品，用于探究不同的掺杂类型对MoS₂吸附以及催化性能的影响。实验发现，p型的V掺杂相比于n型的Mn掺杂可以更有效地提升催化剂对多硫化锂的吸附以及催化活性。

通过DFT计算探究了吸附以及催化性能加强的内在原因，发现V掺杂提升了材料的 d带中心，有利于提升材料的吸附性能。同时锂离子扩散以及硫化锂分解方面的计算表明V掺降低了其动力学能垒。通过Gibbs自由能的计算发现V掺可以有效降低放电过程中的决速步能垒。

通过理论计算以及硫化锂成核与分解测试发现，V掺杂可以同时提升催化剂对多硫化锂氧化与还原过程中的催化活性，这有利于同时加速充放电反应动力学，为高倍率锂硫电池提供基础。

通过组装扣式锂硫电池并对其进行电化学性能测试发现，装备有V-MoS₂的锂硫电池表现出更高的倍率性能和长期循环稳定性。在5C的大倍率下可以稳定运行5000圈。同时在高硫负载下依然可以实现较高的面容量，在未来有一定的应用潜力。

Modulating d-Band Electronic Structures of Molybdenum Disulfide via p/n Doping to Boost Polysulfide Conversion in Lithium-Sulfur Batteries

张振兴，博士，教授，博士生导师，兰州大学物理科学与技术学院物理学教研室副主任。主要从事半导体薄膜物理、纳米材料储能等领域的研究。先后前往美国加州大学伯克利分校、葡萄牙波尔图大学、比利时根特大学访问交流。先后获国家自然科学基金青年基金、面上项目，甘肃省自然科学基金青年基金、面上项目等项目资助。以第一作者或通讯作者在Adv. Funct. Mater. 、Angew. Chem.、Small、ACS Nano、Appl. Phys. Lett.等期刊发表论文多篇。

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