非金属碘单原子催化剂锚定氮掺杂石墨烯用于高性能锂硫电池

文 章 信 息

非金属碘单原子催化剂锚定氮掺杂石墨烯用于高性能锂硫电池

第一作者：李雪

通讯作者：蒋永*，夏水鑫*，黄守双*

单位：上海大学

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研 究 背 景

尽管锂硫电池具有高理论比容量和能量密度，但是由于电化学反应的复杂性，锂硫电池存在充放电产物导电性差、多硫化锂（LiPSs）溶解穿梭、硫体积膨胀等问题。因此，设计和开发合适的硫正极宿主材料是克服锂硫电池挑战的有效策略。石墨烯基材料具有高导电性、高柔韧性和轻质性的特点，用作硫宿主材料，可以有效增强硫正极的导电性并减轻硫体积膨胀。此外，碘掺杂碳材料可以从根本上改变非极性碳的电子结构，赋予碳材料更强的极性和电催化性能。本文中，通过使用便宜易得的沥青作为碳源，制备了氮掺杂石墨烯纳米片并负载碘单原子催化剂（SAI-NC）作为硫正极的宿主材料，旨在通过改善多硫化物的吸附和加速多硫化物的转化来提高锂硫电池的性能.

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文 章 简 介

近日，上海大学蒋永研究员、黄守双副研究员与上海理工大学夏水鑫副教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Non-metal iodine single-atom catalysts anchored on N-doped graphene for high-performance lithium-sulfur battery”的研究工作。该工作将亲硫的单原子碘引入亲锂的氮掺杂碳（SAI-NC）中作为硫正极宿主材料用于高性能锂-硫电池。计算和实验结果表明，氮原子通过与碘配位可以建立C-N-I共价键，阻止碘分子的聚集，促进碘单原子的分散，从而增强了对多硫化物的化学锚定和物理约束。此外，单原子碘催化剂加速了多硫化锂的转化动力学，降低了反应能垒，从而减少了放电过程中Li2S颗粒的积聚，极大地抑制了穿梭效应。这项工作有助于更深入地了解非金属单原子对多硫化锂的吸附和催化作用，并为解决锂硫电池中的穿梭问题提供有效途径。

图1. 非金属碘单原子催化剂锚定氮掺杂石墨烯催化转化多硫化锂的机制。

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本 文 要 点

要点一：碘单原子催化剂锚定氮掺杂石墨烯(SAI-NC)的合成

本文以沥青为碳源、氢碘酸为碘源，通过高温热解，同时实现了氮掺杂石墨烯的合成和单原子碘的锚定，得到了SAI-NC。氮掺杂石墨烯具有超薄片层结构，碘单原子在其上均匀分散。碘单原子通过与氮掺杂石墨烯形成C-N-I共价键，促进碘单原子的分散，增强对多硫化物的化学吸附。

图2. (a) SAI-NC的SEM照片 (b) C、I和N的元素mapping。SAI-NC的(c)TEM和(d)STEM-HAADF照片。(e)拉曼光谱, (f) FT-IR光谱。SAI-NC的(g) N 1s, (h) I 3d和(i) C 1s的高分辨XPS。

要点二：SAI-NC加速多硫化锂转化动力学

硫宿主材料对LiPSs的吸附能力对于抑制多硫化物的溶解和穿梭至关重要。SAI-NC提高了对多硫化锂的吸附能，可以有效地吸附LiPSs，阻止它们向负极穿梭。硫宿主材料的催化性能对抑制“穿梭效应”和提高放电容量起着至关重要的作用。Li2S6对称电池表明在相同电位下，与NC@S和I-C@S正极的电池相比，SAI-NC@S正极的电池表现出更高的峰值电流密度，表明单原子碘促进LiPS的转化和更快的反应动力学。DFT计算的吉布斯自由能从热力学角度说明了这一点。Li-S电池的CV曲线以及对应的Tafel斜率表明SAI-NC@S正极具有转化多硫化物的最快氧化还原反应动力学。

图3. (a) Li2S4溶液的UV-vis吸收光谱和光学图像。(b) 三种骨架材料对多硫化物的吸附能比较。(c) Li2S6基电解液的对称电池的CV曲线。(d) LiPSs的吉布斯自由能。(e) Li-S电池的CV曲线以及(f) 峰1, (g) 峰2和(h) 峰3的Tafel斜率比较。

要点三：多硫化锂的液-固反应研究

硫的还原过程包括液-液、液-固和固-固多相转化过程。在2.1 V的电势下，液相LiPSs转变成固相Li2S2/Li2S，对应于第二个放电平台，为Li-S电池提供了大约75%的比容量。因此，加强多硫化物的液-固反应是提高锂硫电池性能的关键。研究发现，SAI-NC表面的Li2S沉积具有最大的峰值电流、最短的响应时间以及最大的沉积容量，并且单原子碘有利于Li2S的均匀沉积。EIS表明SAI-NC@S正极具有比I-C@S和NC@S优越的电子转移和离子扩散能力，以及良好的多硫化物转化动力学性能。

图4. (a-c) 恒电位I-T曲线。恒电位沉积后(d) NC, (e) I-C和(f) SAI-NC电极的SEM图。(g) NC@S、(h) I-C@S和(i) SAI-NC@S在初始放电过程不同状态下的EIS。

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文 章 链 接

Non-metal iodine single-atom catalysts anchored on N-doped graphene for high-performance lithium-sulfur battery

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159355

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通 讯 作 者 简 介

蒋永，男，博士，上海大学环境与化学工程学院，研究员、博士生导师。作为负责人承担国家自然科学基金面上项目、青年项目，上海市科委能源与海洋重大项目，上海市科委技术标准专项，上海市教委联盟计划，重大横向等多项课题研究。以第一作者或通讯作者在Angewandte Chemie International Edition, Advanced Energy Materials (3篇), Advanced Functional Materials (2篇), Energy Storage Materials (4篇), Nano Energy (5篇), Applied Catalysis B, ACS Nano等国际知名期刊发表SCI研究论文120余篇，ESI高被引论文8篇，累计被引4500余次，获授权国家发明专利19项。已培养的研究生中，多人获得国家奖学金、上海市优秀学生、优秀毕业生等荣誉。

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