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張會剛/朱慶山/惠俊峰ACS Nano:將釩摻入二硫化鈮,獲得更好的催化活性

張會剛/朱慶山/惠俊峰ACS Nano:將釩摻入二硫化鈮,獲得更好的催化活性
盡管鋰硫(Li-S)電池具有較高的比能量并有望成為下一代儲能電池,但其存在多硫化物穿梭、氧化還原動力學(xué)緩慢和循環(huán)性差等問題。迫切需要催化劑來加速多硫化物的轉(zhuǎn)化并抑制穿梭效應(yīng),然而,結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系的缺乏阻礙了高效催化劑的合理開發(fā)。
張會剛/朱慶山/惠俊峰ACS Nano:將釩摻入二硫化鈮,獲得更好的催化活性
圖1 催化劑設(shè)計概念說明
中國科學(xué)院過程工程研究所張會剛、朱慶山、西北大學(xué)惠俊峰等對Nb-V-S體系進行了研究,并提出了一種用于高效Li-S電池的V摻雜NbS2(Nb3VS6)催化劑。具體而言,這項工作合成了VS2、NbS2 和 Nb3VS6(NbV1/3S2),以破解它們在Li-S電池中催化活性的差異。經(jīng)過嚴(yán)格的比較后,作者發(fā)現(xiàn)VS2對多硫化物的吸附力略強于NbS2,因而具有較高的催化活性。當(dāng)在NbS2板的層間位點中引入1/3V時,得到的 Nb3VS6與NbS2和VS2相比具有更優(yōu)的催化活性。
張會剛/朱慶山/惠俊峰ACS Nano:將釩摻入二硫化鈮,獲得更好的催化活性
圖2 多硫化物與催化劑之間的催化與吸附
當(dāng)采用Nb3VS6作為催化劑時,Li-S電池在0.1C和2C條件下分別產(chǎn)生了1541 mAh g-1和1037 mAh g-1的高容量,循環(huán)1000次后仍能保持73.2%的初始容量。理論建模表明,Nb3VS6的高催化活性可能是由[NbS6]板之間的面內(nèi)斷開的[VS6]八面體引起的。表面上[VS6]八面體的亞配位S原子在基面上比[NbS6]/[VS6]多面體對多硫化物的吸附更強,導(dǎo)致高催化活性。因此,這種通過在二維板之間引入V而形成的中間化合物提供了一種制備高效Li?S催化劑的先進方法。
張會剛/朱慶山/惠俊峰ACS Nano:將釩摻入二硫化鈮,獲得更好的催化活性
圖3 Li-S電池性能
Vanadium Intercalation into Niobium Disulfide to Enhance the Catalytic Activity for Lithium–Sulfur Batteries. ACS Nano 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c02634

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