清华大学成会明和周光敏课题组–石墨烯支持的单原子催化剂实现MoS2和Mo/Na2S之间的高效可逆转化

由于相对较高的容量和本质安全性，基于转换型金属硫化物 (MS) 钠离子电池 (SIBs) 负极引起了极大的关注。M/Na₂S 在电荷中高度可逆地转化为原始MS，对电化学性能起着至关重要的作用。在这里，以传统的 MoS₂ 为例，在理论模拟的指导下，选择了氮掺杂石墨烯上的铁单原子催化剂（SAFe@NG），并首先将其用作基材，以促进 MoS₂ 在放电过程中的反应动力学。在接下来的充电过程中，结合光谱学和显微镜，证明了 SAFe@NG 催化剂能够实现 Mo/Na₂S→NaMoS₂→MoS₂ 的高效可逆转化反应。此外，理论模拟表明可逆转换机制显示出良好的形成能垒和反应动力学，其中具有 Fe-N₄ 配位中心的 SAFe@NG 促进了 Na₂S/Mo 的均匀分散以及 Na₂S 和 NaMoS₂ 的分解。因此，SAFe@NG 催化剂可以实现高效的可逆转化反应 MoS₂↔NaMoS₂↔Mo/Na₂S。这项工作为设计具有高效可逆机制的转换型材料提供了新的途径。

Figure 1. MoS2在石墨烯、NG、SAFe@NG、SACo@NG、SANi@NG 和 SACu@NG 上的 a) 吸附能和 b) DOS。(a) 中的插图是SAFe@NG上MoS2吸附配置的侧视图。SAFe@NG的 c) TEM图像，d) HAADF图像和EDS映射图像，以及 e) AC-STEM-ADF图像，红色圆圈代表Fe单原子。f) SAFe@NG、Fe箔和FePc的NEXAFS光谱的Fe L-edge。SAFe@NG、Fe箔、FePc和Fe3O4的Fe K-edge g) XANES 光谱和 h) FT-EXAFS 光谱。

Figure 2. MoS2/SAFe@NG的a) SEM图像和 b) TEM 图像。MoS2/SAFe@NG的 c) HAADF 图像，以及 d)相应EDS映射图像。e) MoS2/SACu@NG的HRTEM图像。(e) 中的插图是 SAED 图案。f,g) MoS2/SAFe@NG的AC-STEM-ADF图像，红色圆圈代表 Fe 单原子。h) SAFe@NG和MoS2/SAFe@NG的N 1s XPS 光谱。i) MoS2、MoS2/G、MoS2/NG和MoS2/SAFe@NG的Mo 3d和S 2p XPS 光谱。(e) 中的插图是MoS2/G和MoS2/SAFe@NG的电荷密度差异。

Figure 3. MoS2/SAFe@NG 用于 SIBs 的电化学性能和反应动力学。

Figure 4. MoS2/SAFe@NG 对 SIBs 的电化学反应机理。

Figure 5. 充电过程中可逆转换机制的理论模拟。

相关研究成果于2021年由清华大学Guangmin Zhou和Hui-Ming Cheng课题组，以及北航大学Qianfan Zhang课题组，发表在Adv. Mater.（DOI: 10.1002/adma.202007090）上。原文：Efficient Reversible Conversion between MoS₂ and Mo/Na₂S Enabled by Graphene-Supported Single Atom Catalysts。