兰州大学《ACS Nano》：Zn2+嵌入提高锂硫电池MoS2的电荷传输和催化性能

过渡金属二硫族化合物（TMDs）由于其良好的催化性能，已被广泛用作锂硫电池的催化剂，然而它们较差的电子导电性导致硫还原反应缓慢。

兰州大学周金元教授和潘孝军副教授共同提出了一种简单的Zn2+嵌入策略，以促进MoS2从半导体2H相向金属1T相的相变，同时层间的Zn2+可以扩大MoS2的层间间距，并作为电荷转移桥促进电子沿c轴的纵向传输。DFT计算证明了Zn-MoS2具有更好的电荷转移能力和更强的吸附能力，同时，Zn-MoS2对多硫化物的转化和分解表现出优异的氧化还原电催化性能。使用Zn0.12MoS2-碳纳米纤维（CNFs）作为正极的锂硫电池具有高比容量（0.1C时为1325 mAh g−1）、优异的倍率性能（3C时为698 mAh g−1）和出色的循环性能（700次循环后仍保持604 mAh g−1，衰减率为0.045%）。这项研究为提高锂硫电池的电催化性能提供了有价值的见解。相关研究成果以“Boosting Charge Transport and Catalytic Performance in MoS2 by Zn2+Intercalation Engineering for Lithium−Sulfur Batteries”为题发表在ACS Nano上。

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08395

锂硫（Li-S）电池由于其高理论能量密度（2576 Wh kg−1）、成本低和环境可持续的硫成分，是下一代储能系统的有力竞争者。尽管锂硫电池前景广阔，但仍有几个重大技术挑战必须克服，主要包括硫及其放电产物的绝缘性能以及可溶性多硫化物的“穿梭效应”。这些问题导致硫的利用不足、容量显著衰减和低库仑效率。为了应对这些挑战，最常见的策略是将硫包裹在导电框架内，如中孔/微孔碳、中空碳、石墨烯/氧化物复合材料和碳纳米管。尽管碳材料具有高导电性，但极性多硫化物和非极性碳之间的弱物理相互作用往往不足以抑制穿梭效应。

近年来，过渡金属二硫族化合物（TMDs）作为催化剂的利用受到了极大的关注，特别是与碳基硫主体的结合。这主要是由于TMDs的化学性质，与离子吸附和催化反应有关，特别是MoS2由于其可调谐的结构、良好的催化活性和低成本而引起了广泛的关注。此外，MoS2可以提供了丰富的极性活性位点，可有效抑制多硫化物穿梭。促进MoS2从其半导体相（2H）向金属相（1T）的相变的策略已被证明在增强电催化动力学方面是有效的。这种改进可归因于八面体1T-MoS2所显示的导电性。研究发现，过渡金属离子的层间插层不仅可以使MoS2从2H相转变为1T相，而且可以通过层间金属离子的桥接效应显著提高MoS2的纵向电荷传输能力。然而，这种策略在锂硫电池中很少被报道。

在这项工作中，作者提出了一种简单的Zn2+嵌入策略并设计了一种高效且有前景的Zn-MoS2催化剂。嵌入MoS2层中的Zn2+不仅扩大了MoS2层间距促进了MoS2从半导体2H相向金属1T相的转变，增强电催化作用，还使MoS2的表面电荷分布发生变化，从而提高了多硫化物的吸附能力，同时还有助于保持结构稳定性并促进沿c轴的纵向电荷传输。通过DFT计算，发现Zn-MoS2表现出更强的吸附能力和硫还原能力。采用Zn-MoS2-CNF/S正极的Li-S电池表现在0.1C时表现出1325 mAh g−1的高比容量，电流密度从0.1C增加到3C，最终容量保持率为52.7%，它还表现出优异的倍率性能（在3C下容量为698 mAh g−1）和长循环稳定性（1C循环700次后，每次循环衰减0.045%）。此外，通过DFT计算和实验，详细讨论了Zn-MoS2-CNFs/S正极的催化动力学和化学吸附效应的增强机理。（文：李澍）

图1 MoS2-CNF和Zn0.12MoS2-CNF催化剂的表征

图2（a-b）MoS2-CNF、Zn0.06MoS2-CNFs、Zn0.12MoS2-CNF和Zn0.18MoS2-CNFs的XRD和拉曼光谱图，（c）MoS2的相转变，（d-f）XPS光谱

图3（a）2H-MoS2、1T-MoS2和Zn-MoS2的PACD，（b）Zn-MoS2的PACD和CDD，（c−e）2H-MoS2、1T-MoS2和Zn-MoS2的PDOS，（f）优化了Li2S6在各种表面上的吸附几何结构，（g）LiPS在各种表面上的吸附能，（h）吸附在1T-MoS2和Zn-MoS2表面的Li2S的CDD，（i）Li2S中的S原子和衬底中最靠近Li2S中S原子的的PDOS

图4（a）电池的CV曲线，（b）电池的Tafel图，（c）Li2S6溶液吸附后的光学照片和紫外-可见光谱，（d，e）Zn0.12MoS2-CNF和MoS2-CNFs的CV曲线，（f）电池的峰值电流与扫描速率平方根的关系图，（g−i）Li2S在Zn0.12MoS2-CNF、MoS2-CNFs和CNFs上的恒电位成核的电流−时间分布

图5（a）循环伏安曲线，（b）恒电流充放电曲线，（c）QL/QH比率，（d）EIS光谱，（e）Zn0.12MoS2-CNF的GITT图，（f）内阻与归一化放电-充电时间的关系，（g）性能对比，（h）在1C高电流密度下的长循环性能

图6循环后Zn0.06MoS2-CNFs、Zn0.12MoS2-CNF和Zn0.18MoS2-CNF的形貌分析和结构表征

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。转载请联系并保留此框文字。