锂硫电池还可以发Nature大子刊？看段镶锋、黄昱教授如何解读Li-S电池中的硫还原过程- 大数跨境

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锂硫电池还可以发Nature大子刊？看段镶锋、黄昱教授如何解读Li-S电池中的硫还原过程

科学材料站

2020-09-06

导读：本文报道了电催化SRR动力学的系统研究。为了理解各种杂原子掺杂的多孔石墨烯骨架（HGF）电催化剂的催化性能及其对电池性能的影响，研究人员通过直接分析多步SRR中的活化能，同时使用杂原子掺杂的石墨烯作

文章信息

电催化硫还原反应的基本理解

第一作者：彭乐乐

通讯作者：黄昱*，Philippe Sautet*，段镶锋*

单位：加利福尼亚大学洛杉矶分校

研究背景

硫还原反应（SRR）经历了复杂的16电子转换过程，将S8环分子转化为一系列具有可变链长的可溶性多硫化锂（LiPSs），然后将其完全转化为不溶性Li2S2 / Li2S产品。这种16电子SRR工艺对于高密度储能具有相当大的意义，但在实际的Li–S电池中，硫还原反应迟缓的动力学和多硫化物（PS）穿梭效应会限制倍率能力和循环寿命。

尽管最近的一些研究中提出了电催化方法的概念，但SRR的本征电催化动力学尚未得到充分探索，使用这种电催化作用解决PS穿梭问题的本质原因尚未明确解决。

导师专访

该领域目前存在的问题？

锂硫电池作为一种高能量的储能方式受到了科研人员的广泛关注。其综合性能通常受限于缓慢的硫还原动力学和多硫化物穿梭效应。电催化硫还原被认为是一种非常具有潜力的加速可溶性多硫化物中间体转化为不溶性Li2S2/Li2S，并防止多硫化物积累和穿梭的有效策略，但是现有文献并没有对硫还原反应的基本电催化动力学进行深入探究，并且使用这种电催化效应来解决多硫化物穿梭问题的潜机理还没有被完全地阐释清楚。

本文重点、亮点有哪些？

本文中的亮点在于我们通过利用标准的碳硫电极首次验证了多硫化物积累和穿梭的主要原因在于可溶性多硫化物转化成不溶性产物的极高的反应活化能。为此，设计合适的电催化剂来降低这种能量势垒，并加速可溶性中间产物向不溶性Li2S2/Li2S的转化，将能有效解决穿梭问题。

这个工作通过采用异质原子掺杂多孔石墨烯骨架作为模型催化剂，沿用氧还原反应中的实验方法，提出了一种定量的表征电催化硫还原活性及速率的方法，并对不同原子掺杂的石墨烯进行了基本电催化反应动力学的深入研究。同时，我们也利用密度泛函计算来理解不同催化动力学的原由，提出了一种有别于现有理解的物理模型，即微型溶剂化模型，将溶剂分子对于锂离子的溶剂化作用也考虑进计算过程，对催化硫还原反应提供了新的理解。

最后，我们成功验证了不同催化活性在实际扣式电池中的性能差异，这能为以后构筑高稳健性锂硫电池的提供新思路。

文章简介

近日，加利福尼亚大学洛杉矶分校黄昱教授与Philippe Sautet教授、段镶锋教授等合作。在国际顶级期刊nature catalysis上发表题为“A fundamental look at electrocatalytic sulfur reduction reaction”的研究工作。

本文报道了电催化SRR动力学的系统研究。为了理解各种杂原子掺杂的多孔石墨烯骨架（HGF）电催化剂的催化性能及其对电池性能的影响，研究人员通过直接分析多步SRR中的活化能，同时使用杂原子掺杂的石墨烯作为模型系统来探索电催化SRR。这项研究将电催化作为解决锂硫电池面临的基本挑战的一种有前途的途径。

导师专访

您对该领域的今后研究的指导意见和展望

硫还原反应过程涉及到16个电子的转化过程，电化学行为极其复杂，迄今为止其转化过程机理尚未得到真正的解释。由于催化作用可以改变电化学反应的路径，所以对硫还原反应机理的正确理解是该领域的难点及方向之一。

再者，影响锂硫电池性能的因素众多，除催化作用外，一些其他的因素，例如电极材料的电子、离子导电率，活性物质的质量等等，都应该是未来锂硫电池研究领域的重要方向。

本文要点

要点一：本文通过直接分析多步SRR中的活化能发现，由于活化能低，将硫初步还原为可溶性多硫化物相对容易，而随后将可溶性多硫化物转化为不溶的Li2S2 / Li2S具有高得多的活化能，导致了多硫化物的积累，并加剧了多硫化物的穿梭作用。

要点二：本文通过使用杂原子掺杂的石墨烯作为模型系统来探索电催化SRR。同时在文章中表明，氮和硫双掺杂石墨烯大大降低了活化能，能够显著改善SRR动力学。同时，密度泛函计算证实，掺杂可调节活性碳原子的p带中心，能够获得最佳的中间体吸附强度和电活性。

要点三：这项研究将电催化作为解决锂硫电池面临的基本挑战的一种有前途的途径

第一作者专访

1.该研究的设计思路和灵感来源

因为目前有关催化硫还原的研究都只停留在分析催化剂对多硫化物的吸附作用或者只是很浅显的论断，并没有真正的阐述催化硫还原的机理和动力学。受益于实验室的ORR的相关研究，我发现如果利用ORR的旋转圆盘技术，可以从本质上定量的分析出催化硫还原反应的机理，动力学参数，活化能等。

为了验证电催化的方法可以调节硫还原反应的动力学，我们选择了杂原子掺杂的多孔石墨烯骨架（HGF）作为模型催化剂。杂原子掺杂石墨烯是一个非常稳定的模型体系，它有足够的变量（例如不同的掺杂剂）来进行系统的研究和公平的比较。这就是该研究的设计思路和灵感来源。

2.该实验难点有哪些？

在材料合成及表征上没有太大的难点。由于本文是对催化硫还原动力学的本征研究的先驱工作，对催化硫还原反应的机理，动力学的一些测试和相关结果分析需要大量的实验反复验证，研究周期比较长。

3.该报道与其它类似报道最大的区别在哪里？

目前有关催化硫还原的研究都只停留在分析催化剂对多硫化物的吸附作用或者只是很浅显的论断，并没有真正的理解催化硫还原的机理和动力学。而我们文章通过沿用ORR的实验技术并加以改之，成功的实现了对催化硫还原反应的活性及动力学的定量分析，这也为往后有关催化硫还原催化剂的活性提供了一个定量的比较基础。

文章链接

A fundamental look at electrocatalytic sulfur reduction reaction

https://www.nature.com/articles/s41929-020-0498-x

通讯作者介绍

黄昱，纳米材料学专家，美国加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系教授、博士生导师。获得美国青年科学家总统奖、美国国立卫生研究院创新奖、美国国家科学基金会特别创意奖等。

黄昱专注于研究纳米材料（包括纳米颗粒、纳米线和石墨烯）的合成、表征和实际应用，将材料学与化学、生物、物理，以及工程结合起来，从多方面探索纳米科学与技术，并应用于能源、通信、计算等领域，从纳米晶体的生长到利用原子级薄材料的功能器件的相关研究，推动了纳微米尺度下的科学和工程应用的进展。

Philippe Sautet，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校和加州NanoSystems研究所教授。 Sautet是一位享誉全球的学者，曾获得许多奖项，包括法国科学院院士，法国骑士勋章得主，法国化学会皮埃尔·苏（Pierre Sue）特等奖和CNRS银牌。Sautet的研究兴趣在于理论表面化学以及非均相和电催化领域。

段镶锋，留美华人化学家纳米材料学专家，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校终身教授、博士生导师。他主要的研究方向是纳米材料的合成以及器件制备。他的研究兴趣包括纳米材料，纳米器件及其在未来电子与能源器件中的应用。段镶锋教授曾多次获得国际大奖，包括美国青年科学家总统奖；国际材料学会联合会-新加坡材料学会青年研究员奖，英国皇家化学学会贝尔比奖章，和国际电化学会田昭武能源材料奖，中国科学材料创新奖，美国材料研究学会中期职业奖等。

第一作者介绍

彭乐乐博士，2012年本科毕业于中国科学技术大学材料科学与工程系，2017年于德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系获得博士学位，师从余桂华教授，2018年起在加州大学洛杉矶分校从事博士后研究，合作导师是段镶锋教授。主要从事二维材料的合成，组装及其在可再生能源的转换和能源存储方面的研究。

课题组介绍

http://xduan.chem.ucla.edu/