苏庆梅/杜高辉/许并社ACS Nano：通过Co9S8@MoS2核-壳结构调整MoS2的能带结构，以提高锂硫电池的催化活性- 大数跨境

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苏庆梅/杜高辉/许并社ACS Nano：通过Co9S8@MoS2核-壳结构调整MoS2的能带结构，以提高锂硫电池的催化活性

科学材料站

2020-11-26

导读：这项工作通过静电纺丝法结合高温退火处理工艺获得了锚定在碳纳米纤维（Co9S8 @ MoS2 / CNF）上的Co9S8 @ MoS2核-壳异质结构

文章信息

通过Co9S8 @ MoS2核-壳结构调整MoS2的能带结构，以提高锂硫电池的催化活性

First published: November 19, 2020

第一作者：Boyu Li

通讯作者：苏庆梅 *，杜高辉 *，许并社 *

单位：陕西科技大学

研究背景

由于理论能量密度高（2600 Wh kg-1），成本低以及元素硫的自然资源丰富，锂硫电池（LSBs）被认为是储能设备的极佳潜在替代品。

但是，由于若干严重的技术挑战，如可溶性多硫化锂的“穿梭效应”，缓慢的转化动力学，硫和排放产物（Li2S2 / Li2S）的低电导率，以及在放电过程中高达80％的体积膨胀，使LSBs的实际应用受到一定的限制。因此设计一种集高导电、高催化活性和良好吸附性能的一体化功能层，是目前突破LSBs应用瓶颈的一种可行方法。

文章简介

近日，陕西科技大学苏庆梅教授与杜高辉教授，许并社教授等合作。在国际知名期刊 ACS Nano上发表题为“Tuning the Band Structure of MoS2 via Co9S8@MoS2 Core–Shell Structure to Boost Catalytic Activity for Lithium–Sulfur Batteries”的研究工作。

这项工作通过静电纺丝法结合高温退火处理工艺获得了锚定在碳纳米纤维（Co9S8 @ MoS2 / CNF）上的Co9S8 @ MoS2核-壳异质结构，DFT计算表明Co9S8 @ MoS2核-壳异质结构有效地调控了MoS2的能带结构，该结构被开发为抑制多硫化锂（LiPSs）穿梭效应的中间层。

最终结果是Co9S8 @ MoS2 / CNF可以有效吸附LiPSs并催化Li2S2转化为Li2S，提高S的利用率，抑制LiPSs的穿梭，提高了LSBs的性能。

图1. 静电纺丝法制备Co9S8@MoS2 /CNF流程图及SEM和TEM表征。

图2. Co9S8@MoS2 核壳结构的TEM，HRTEM及STEM-mapping表征结果。

图3. MoS2/CNF， Co9S8/CNF 和 Co9S8@MoS2/CNF作为LSBs功能层的电化学性能

图4. Co9S8 、MoS2和Co9S8@MoS2价带结构的DFT模拟结果

图5. MoS2/CNF， Co9S8/CNF 和 Co9S8@MoS2/CNF作为LSBs功能层的放电和充电产物的形貌和成分分析

图6. Li2S的成核实验结果及Li2S2在不同中间层结合能和解吸能的DFT计算结果

本文要点

要点一：本文通过静电纺丝和高温退火处理，严格控制制备工艺获得了少数层MoS2包覆Co9S8，实现原子级别包覆的精确控制。该原子级异质结构用作LSBs的功能层在LiPSs的吸附和催化固-固Li2S2和Li2S之间的转化提供了协同关系。

要点二：通过密度泛函理论（DFT）计算表明Co9S8@MoS2异质结构有效地调控了MoS2的能带结构，并且对Li2S2具有较强的吸附能和Li2S较小的解吸能。

要点三：通过将不同材料MoS2/CNF， Co9S8/CNF 和 Co9S8@MoS2/CNF作为LSBs的功能层，研究了其电化学性能，硫反应动力学，进一步阐明了详细的催化机理，并对核-壳异质结构的合理设计提供了见解。

文章链接

Tuning the Band Structure of MoS2 via Co9S8@MoS2 Core–Shell Structure to Boost Catalytic Activity for Lithium–Sulfur Batteries

https://doi.org/10.1021/acsnano.0c07332

通讯作者介绍

苏庆梅，工学博士、教授、博士生导师、陕西省第九批“百人计划”入选者、陕西科技大学“学术骨干”

主要研究工作是利用（原位）球差校正透射电子显微学方法（TEM、SAED、EELS和STEM等），在原子尺度对先进功能材料原子结构和化学组成进行系统研究，建立先进材料微观结构与性能之间的关系，揭示与之相关的新现象，探索提高材料性能的新途径。利用国际上最为先进的电镜样品杆系统：原位气体样品杆系统、原位液体样品杆系统、原位热电一体化样品杆系统，突破传统的电镜表征限制，在外场使役环境下，原位研究材料的原子·分子运动变化行为、成分、组织结构变化等与宏观性能的联系，乃至将材料合成、器件合成、成分结构与性能变化的原位、动态分析与检测变为一体化。同时利用模拟计算方法解释材料原子结构及结构性能关系。发表SCI学术论文80余篇，其中以第一作者和通讯作者在ACS Nano, Nano Energy，Chem. Eng. J.和ACS Appl. Mater＆Interface等国际期刊发表学术论文30多篇。

杜高辉，理学博士，博士生导师、陕西省第九批“百人计划”入选者、陕西科技大学“特聘教授”

2003年毕业于中国科学院物理研究所，获理学博士学位；2003 - 2007年期间先后在比利时安特卫普大学、美国亚利桑那州立大学、佛罗里达国际大学进行博士后研究。主要从事纳米能源材料和电子显微学研究，发表SCI论文100余篇，他引2500多次，近五年承担国家自然科学基金项目2项，省级项目2项，2010年获得国家自然科学二等奖（Z-102-2-01，排名第三），2011年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。

许并社，教授/博导，工学博士，陕西科技大学“学科领军人才”

国家杰出青年基金获得者，国家重点学科材料加工工程首席学科带头人，国务院享受政府特殊津贴专家，中央和山西省委联系的高级专家。先后主持完成了国家杰出青年基金项目、“973”计划课题、国家科技部国际科技合作项目、国家自然科学基金重大研究计划（纳米专项）、国家自然科学基金等50余项科研项目；发表学术论文400余篇，被他人引用2000余次。以第一发明人获准或申请中、日、美、欧、韩等多国专利162余项；培养博、硕士研究生100余名。以第一完成人获国家技术发明二等奖1项（2009）、国家科技进步二等奖1项（2014）、山西省科技发明一等奖1项（2006）、省部级自然科学和科技进步二等奖共12项。先后获得“全国杰出专业技术人才”、“教育部跨世纪优秀人才”、“山西省高等学校拔尖创新人才”、“全国回国留学人员先进个人”等荣誉称号。

课题组招聘

课题组配备了日本电子GRAND ARM双球差校正透射电子显微镜，2100plus透射电子显微镜和JIB-4700F聚焦离子束；protochips公司的新一代热电杆Fusion，液体样品杆Poseidon Select和气体样品杆Atmosphere。课题组长期招聘博士和博士后，欢迎对球差校正透射电子显微镜技术及原位原子级表征、新型电化学储能材料及器件，电催化等感兴趣，并具有相关背景的优秀学者加入，具体请联系苏庆梅教授suqingmei@sust.edu.cn。