MXenes，二維過渡（2D）金屬碳化物/氮化物，由于其多樣化的氧化還原活性位點(diǎn)和快速的電子轉(zhuǎn)移，已經(jīng)顯示出作為正極催化劑加速鋰硫（Li-S）電池中多硫化物（LiPSs）轉(zhuǎn)化的前景。然而，從成千上萬的MXenes中有效地篩選出最佳的正極催化劑是具有挑戰(zhàn)性的。

圖1. 研究方法示意圖

南京理工大學(xué)李爽、任杰、中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所Wei Liu等通過建立一個(gè)模型，來研究影響不同MXene表面上限速硫還原反應(yīng)（SRR）活性的復(fù)雜吸附物-基質(zhì)相互作用來解決這個(gè)問題。

該模型能夠快速、準(zhǔn)確地探索用于Li-S電池的優(yōu)化MXene正極催化劑。具體而言，作者以一類MXenes為例，通過結(jié)合不同的端點(diǎn)和次表層過渡金屬，研究了表面位點(diǎn)的局部化學(xué)環(huán)境與Li-S電池正極限速步驟的反應(yīng)活性之間的關(guān)系。

圖2. 從Li₂S₂到Li₂S轉(zhuǎn)化過程中三種可能的反應(yīng)途徑

研究發(fā)現(xiàn)，在LiPSs從Li₂S₂到Li₂S的轉(zhuǎn)化過程中，表面端接和表面下過渡金屬都有主導(dǎo)作用。考慮到終止物的p軌道能級(jí)和表面下過渡金屬的電負(fù)性的影響，作者提出了一個(gè)簡(jiǎn)單而通用的限速SRR活性模型。

該模型的準(zhǔn)確性通過比較DFT計(jì)算中吉布斯自由能差異的結(jié)果得到了證實(shí)。利用這個(gè)模型，這項(xiàng)工作篩選了Ti₂CS₂、Mo₂CS₂和W₂CS₂作為促進(jìn)Li-S電池中LiPSs轉(zhuǎn)換的潛在有前景的催化劑。

圖3. 模型關(guān)系及DFT計(jì)算對(duì)比

Effective Screening Descriptor for MXenes to Enhance Sulfur Reduction in Lithium–Sulfur Batteries. Journal of the American Chemical Society 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c01834