苏州大学孙靖宇教授AFM观点：一种石墨烯-硒化物异质结构的普适化制备策略用于调节锂硫氧化还原

第一作者：王梦蕾，朱瑜婕

通讯作者：孙英杰*，宋英泽*，慈海娜*，孙靖宇*，

单位：苏州大学，河北科技大学，西南科技大学，青岛科技大学

锂硫电池的实际应用受到了臭名昭著的多硫化物穿梭和缓慢的硫转化动力学的阻碍。尽管隔膜的功能修饰被认为是优化锂硫氧化还原反应的有效策略，但过量的修饰材料和无效的结构设计仍然导致电催化剂利用率低下。玻璃纤维隔膜是具有随机排列孔的硼硅酸盐微纤维束组成的，纤维堆叠结构确保了充分的电解质渗透，三维多孔网络为负载更多的活性位点提供了理想的支撑。

本文提出了一种通用的原位改性策略来构建锂硫电池的功能隔膜，通过连续低温化学气相沉积在玻璃纤维隔膜上生长一系列石墨烯-硒化物（Gr-MxSey）异质结构。得到的石墨烯呈现出均匀的三维（3D）网络，这有利于MxSey纳米颗粒的分散，以表现出高的电催化活性。有效地抑制穿梭效应，进一步调节锂硫电池的氧化还原过程。本文为隔膜修饰的研究提供了方向，有助于玻璃纤维隔膜应用于锂硫领域的研究及实际应用。

基于此，苏州大学孙靖宇教授课题组在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“A Universal Graphene-Selenide Heterostructured Reservoir with Elevated Polysulfide Evolution Efficiency for Pragmatic Lithium–Sulfur Battery”的观点文章。

该观点文章利用化学气相沉积制（CVD）设计Gr-MxSey异质结的普适化合成方法，这种原位生长独特的3D结构可以调节锂硫的氧化还原反应，进一步有效地抑制穿梭效应。论文第一作者为苏州大学博士研究生王梦蕾与2019级本科生朱瑜婕；通讯作者为河北科技大学孙英杰，西南科技大学宋英泽，青岛科技大学慈海娜和苏州大学孙靖宇教授。

图1. Gr-MxSey@GF隔膜(M = Mo, W, Mn, Cu, Zn)的合成设计。

图2. Gr-MxSey的相关表征。

图3. Gr-MxSey@GF, Gr@GF与GF隔膜的吸附转化测试。

图4. 理论计算及反应活化能测试。

图5.电化学性能测试。

首次开发了一种直接CVD制备方法，用于玻璃纤维隔膜上原位生长Gr-MxSey异质结构。由硼硅酸盐微纤维束和随机排列的孔隙组成的GF隔膜是锂硫电池的一种有吸引力的候选材料。纤维堆叠结构确保充分的电解液渗透，三维多孔网络为建立充足的活性位点提供了理想的支撑。并且，GF表现出优异的化学和热稳定性，这不仅提高了电池的安全性，而且扩展其修饰方法。采用连续低温CVD技术在玻璃纤维隔膜上生长一系列Gr-MxSey异质结构。制备所得的Gr-MxSey异质结构呈现出均匀的3D网络表现出高的电催化活性。

要点二：3D协同网络对锂硫氧化还原的调节

制备所得3D的Gr-MxSey异质结构由垂直的石墨烯和分散均匀的MxSey纳米粒子组成，石墨烯具有优异的导电性，MxSey纳米粒子表现出优异的多硫化锂吸附作用，此外，Gr-MxSey异质结构使吸附性MxSey和导电性石墨烯协同作用，提高了催化作用。进一步组成吸附，导电，催化一体的3D协同网络。并且与GF隔膜本身的纤维结构交织在一起作为三维衬底，使得Gr-MxSey@GF隔膜表现出优异的氧化还原的调节作用。

要点三：3D协同网络构筑高性能锂硫电池

所设计的3D协同Gr-MxSey@GF隔膜，表现出优异的电化学性能。在0.2C倍率下循环100圈后依旧可以保持1226.8 mAh g⁻¹ 的容量，容量保持率可以达到100%。同时对于锂硫软包电池的性能，Gr-MxSey@GF表现出较为优异的倍率性能，并且在0.1C倍率下循环100圈后依旧可以达到876.7 mAh g⁻¹ 的容量。总之，这种普适化隔膜的修饰方法为锂硫软包电池的应用给与借鉴。

要点四：前瞻

当前对GF隔膜修饰材料的普适化制备和研究仍然有限，这也是未来研究的一个潜在方向。由于传统的PP隔膜热稳定性较差，因此修修饰方法得到限制。选取GF隔膜作为修饰衬底，发展了一种直接CVD技术原位构筑Gr-MxSey@GF隔膜的通用策略。并且CVD技术可控地对材料进行设计制备，进一步合理优化锂硫电池催化作用。通过变温CV的测试计算多硫化锂反应活化能，结合理论计算，深入探究异质结构的催化作用机制，进一步实现具有高安全性高能量密度的锂硫软包电池，以扩宽其在市场中的应用。

A Universal Graphene-Selenide Heterostructured Reservoir with Elevated Polysulfide Evolution Efficiency for Pragmatic Lithium–Sulfur Battery,

孙靖宇，苏州大学能源学院特聘教授，博士生导师。牛津大学博士。国家四青人才；江苏省杰青；江苏省双创人才。中国化学会高级会员。江苏省“先进碳材料与可穿戴能源技术”重点实验室主任。苏州大学——北京石墨烯研究院产学研协同创新中心主任。国家重点项目首席科学家；国家重点研发计划课题主持人。物理化学学报/科学通报/J. Energy Chem./Chin. Chem. Lett./InfoMat/Battery Energy（青年）编委。2008年本科毕业于浙江大学，2013年于英国牛津大学获博士学位。

2013-2015年、2015-2017年分别在北京大学和英国剑桥大学开展研究工作。2017年2月入职苏州大学，2018年受聘北京石墨烯研究院课题组长。主要从事新型石墨烯功能材料、碳基能源材料研究。发展了低维碳材料无转移生长的Direct-CVD技术，研究成果被Nature Mater.等亮点述评。在国内外学术期刊上发表研究论文逾200篇，其中通讯作者论文包括Sci. Adv., Nature Commun., Natl. Sci. Rev., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., ACS Nano等，总引用12000余次，h因子为62。

王梦蕾，2018年9月至今为苏州大学能源与材料创新研究院博士研究生，导师为孙靖宇教授。主要从事锂硫电池正极电催化剂的设计及反应机制研究。入学以来以第一作者在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Adv. Funct. Mater. Chem. Eng. J等期刊发表论文；荣获苏州大学研究生特学金二等奖（两次），苏州大学和合奖学金，苏州大学能源学院名城名校奖学金等荣誉。

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