【人物与科研】西安交通大学唐伟教授课题组Adv. Funct. Mater.：基于磷烯/石墨烯包覆协同催化的贫电解质锂硫电池

导语

锂硫电池的实际应用受到缓慢的氧化还原反应动力学和严重的多硫化锂（LiPS）迁移的阻碍。通过提高主体的电催化活性来加速 LiPS 转化是实现优异电化学性能的一种很有前景的策略，尤其是对于贫电解质条件下的高硫负载正极。近日，西安交通大学唐伟教授、上海理工大学彭成信教授和温州大学侴术雷教授等人报道了一种二维磷烯/石墨烯包覆协同催化用于改善贫电解液锂硫电池性能，相关研究成果发表在Adv. Funct. Mater., 2021（DOI: 10.1002/adfm.202106966）。

唐伟教授课题组简介

课题组成立以来致力于电极材料开发及利用多种原位检测手段对于材料的储能效用进行评价，以此来辅助对于材料的进一步改性和性能提升，先后以第一/通讯作者在国内外顶级期刊发表学术论文40篇，包括J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy. Environ. Mater.、Electrochem. Energy Rev.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Joule、Nano Lett.、Energy Environ. Sci.、Nat. Energy（评论）等。4篇论文入选ESI高引论文，1篇论文入选中国百篇最具影响力论文，文章总他引3000余次。担任《中南大学学报（英文版）》青年编委以及Energy Materials副主编。

唐伟教授简介

唐伟博士，2016年博士毕业于新加坡国立大学，2018年9月初以教授、博导身份入职西安交通大学化工学院，目前已经获得国家级海外高层次青年人才、陕西省海外高层次青年人才以及西安交通大学青年拔尖人才支持计划A类资助。唐教授长期从事电化学储能、新能源材料的研究工作，研究兴趣包括锂离子三元正极材料、液态/全固态锂金属电池、锂硫电池、锂/钠/钾离子电池及通过电催化转化实现二氧化碳等高值化利用。

前沿科研成果

通过磷烯衍生的催化包覆填充硫物质并用于贫电解质锂硫电池

二维（2D）硫主体材料通过更多暴露的催化和化学吸附位点确保电荷转移和 LiPS 固定的优异电接触（图1）。其中，少层黑磷（EBP）纳米片是由于其大的层间距（约3.08 Å），高亲硫性，高锂离子迁移率和低密度（2.69 g cm⁻³）等特性被认为是理想的硫正极材料（Adv. Mater., 2016, 28, 9797）。然而，普通 EBP 在环境条件下具有有限的导电性（半导体特性）和不稳定性（快速氧化和降解），这严重阻碍了其耐用性和潜在应用。因此设计合适的具有协同功能的 2D/2D 异质结构是调整材料特性并为Li-S 电池提供新功能的关键。少层石墨烯纳米片（EGr）可用作快速2D电子传输通道的有效构建块（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 2600）。将高亲硫性EBP与导电EGr相结合，在两个组件之间诱导界面电子转移，并且电场出现在EBP/EGr界面这种具有改进电子云密度的电场可以提高催化活性，抑制穿梭效应，促进Li⁺转移，从而提高Li-S电池的性能。因此，有必要充分探索其内在的协同相互作用并理解扩大基于EBP的异质结构的应用领域的机制。基于此，作者制备了一种二维磷烯/石墨烯包覆纳米硫结构（EBP/EGr@S）作为一种坚固且高度催化的硫容器来包装硫物质，为贫电解质锂硫电池赋予优异催化和化学吸附作用。

（来源：Adv. Funct. Mater.）

为了实现快速的 LiPS 转化和缓慢的 LiPS 迁移，硫物质被由磷烯/石墨烯异质结构构成的密封的催化界面填充。二维磷烯/石墨烯包覆硫结构有2个独特的好处：1）直接电子转移，避免了任何绝缘介质，对 LiPS 转化产生了特殊的催化作用；2）有利的电荷重排，可增强对 LiPS 的化学吸附并限制 LiPS 穿梭。

（来源：Adv. Funct. Mater.）

研究发现，EBP/EGr在氧化还原反应中可以促进LiPS的化学吸附，同时促进了多硫化物的转化，此外的具有强范德华力的高度柔性密封界面可以缓解反应过程中的体积膨胀，保持结构的稳定性。

（来源：Adv. Funct. Mater.）

同时理论计算结果的证实。EBP/EGr之间的电荷重排可以提高对LiPS的吸附能，降低LiPS转化能垒和锂离子的迁移能，使得硫具有极强的化学约束能力和良好的反应活性。

（来源：Adv. Funct. Mater.）

实验结果表明，EBP/EGr@S在6.1 mg cm^-2的高硫负载量下和5.7 mL g^-1的低电解质/硫比例具有5.57 mAh cm^-2 的高面容量。

（来源：Adv. Funct. Mater.）

总结：

作者构建了一种新型EBP/EGr异质结构封装硫球复合材料作为锂硫电池的正极。EBP/EGr异质界面的合理工程不仅提高了EBP的稳定性，而且还可以对每个块进行有效的电子调节，以增强内在特性。因此，EBP/EGr@S正极的特点是在6.1 mg cm^-2高硫负载和5.7 mL g^-1低E/S比的电池显示出5.57 mAh cm-2的高面积容量。结合实验和理论结果表明，EBP和EGr之间的电子相互作用不仅促进了LiPS在EBP上的吸附和转化，而且还调节了EBP/EGr 异质界面上Li⁺扩散的能垒，有利于Li⁺和LiPS的转移，同时提高了硫反应动力学。这项研究中可为磷烯基硫正极材料的合理设计提供策略。该工作以“Packing sulfur species by phosphorene-derived catalytic interface for electrolyte-lean lithium–sulfur batteries”为题发表在Adv. Funct. Mater.（DOI: 10.1002/adfm.202106966）上，第一作者为西安交通大学周江奇博士生，丹麦技术大学武甜甜博士为共同第一作者。通讯作者为西安交通大学唐伟教授，上海理工大学彭成信教授和温州大学侴术雷教授。