东南大学孙正明团队Adv Mater:MXene原位衍生缺陷型氧化物量子点@多孔碳片助力长寿命锂硫电池

东南大学孙正明团队Adv Mater:MXene原位衍生缺陷型氧化物量子点@多孔碳片助力长寿命锂硫电池东南大学孙正明团队Adv Mater:MXene原位衍生缺陷型氧化物量子点@多孔碳片助力长寿命锂硫电池
第一作者:张恒、杨莉
通讯作者:潘龙、孙正明
通讯单位:东南大学

锂硫电池因具有数倍于锂离子电池的理论能量密度(2600 W h kg-1)而被认为是最具前景的下一代电化学储能器件之一。然而,单质硫及多硫化物的低电导率导致其氧化还原反应动力学迟缓,多硫化物的溶解和扩散引起穿梭效应使得库伦效率和循环容量快速衰减,循环过程中的体积效应导致电池循环稳定性差甚至失效。这些因素严重制约着锂硫电池的商业化应用。

【文章简介】
东南大学孙正明团队提出了一种集物理限域、化学吸附和催化转化于一体的“all-in-one”硫载体,大幅提升了锂硫电池的循环稳定性。该工作利用新型二维材料MXene(Ti3C2)为单一前驱体,首次通过可控原位转换策略构筑了富含氧空位的TinO2n-1量子点(OV-TnQDs)修饰的多孔碳纳米片(PCN)复合结构(即OV-TnQDs@PCN)。利用原位Raman、多硫化物吸附、第一性原理计算等多种实验与理论方式揭示了OV-TnQDs@PCN及氧空位对多硫化物的吸附和催化转化作用机制。研究成果以“MXene-derived TinO2n-1 quantum dots distributed on porous carbon nanosheets for stable and long-life Li−S batteries: Enhanced polysulfide mediation via defect engineering”为题发表在国际知名期刊Advanced Materials上,东南大学材料学院博士生张恒为第一作者,至善博士后杨莉为共同第一作者。

【文章创新点】
创新点一:首次实现MXene可控原位转换构筑OV-TnQDs@PCN
MXene在氧化剂存在条件下一般会部分转化形成TiO2@MXene或者完全转化为TiO2。本文利用稀释的H2O2溶液氧化MXene并结合后处理,首次实现将MXene中的Ti完全转化为富含氧空位的TinO2n-1量子点(OV-TnQDs)并同时保留了C层的二维结构(PCN)。该策略不仅扩大了MXene用途,也为制备OV-QDs@PCN提供了新途径。

创新点二:揭示了氧空位对多硫化物的吸附与催化转化机制
通过一系列实验与理论计算证明氧空位不仅能够降低TinO2n-1对Li2S4的吸附能,而且可以减小TinO2n-1与Li2S4之间的结合键长,从而使得OV-TnQDs对多硫化物表现出高效的化学吸附能力。此外,本文利用原位Raman证实了OV-TnQDs对不同的多硫化物表现出不同的催化效果:由传统的放电过程(S8 → Sx2– → S42– → S2–)变为S8 → Sx2– + S2O32– → S42–+ SxO62– → S2–。该结果为理解多硫化物的转化过程和穿梭效应抑制机理提供了新思路。

创新点三:“all-in-one”设计大幅提升锂硫电池循环寿命
OV-TnQDs@PCN呈现了“催化中心-限域空间-导电基质”的作用:OV-TnQDs作为化学吸附和催化中心,捕获并可逆转化多硫化物;PCN不仅为多硫化物提供物理限域空间,而且作为导电骨架促进电荷转移和离子扩散;多孔结构为提高硫载量提供了空间。基于这样的“all-in-one”设计,OV-TnQDs@PCN/S电极在2C下循环1000圈后依然具有88%的容量保持率。不仅如此,在4.8 mg cm–2硫负载量和4.5 μL mg–1贫电解液下仍然表现出良好的循环性能,并可用于柔性软包电池。

【图文导读】
东南大学孙正明团队Adv Mater:MXene原位衍生缺陷型氧化物量子点@多孔碳片助力长寿命锂硫电池
图1 MXene原位衍生OV-TnQDs@PCN的形貌与微观结构:(a) 制备流程示意图;(b-d) MXene的SEM和TEM照片;(e-n) OV-TnQDs@PCN的SEM和TEM照片
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图2 多硫化物的吸附和转化:(a-b) 理论计算Li2S4在硫载体表面的吸附能;(c)硫载体对Li2S4溶液的吸附效果对比;(d-e)吸附后沉淀物的XPS;(f)原位拉曼分析正极电化学过程中含硫物种的转化过程
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图3 电化学性能:(a)硫正极充放电转化示意图;(b)CV曲线;(c-d)倍率性能;(e-g)循环性能及循环保持率对比

作者介绍:
孙正明教授简介:教授、博导,现任东南大学材料学院院长。先后在中科院、维也纳大学(博士后)、日本丰桥技科大学(JSPS)进行复合材料、金属间化合物等研究。回国前在日本产业技术综合研究所(AIST)任部长助理兼主任研究员。研究领域涵盖金属、陶瓷、金属间化合物、复合材料等在结构、热电转换、储氢、储能等领域的基础与应用,已在Adv Mater、Adv Funct Mater、Acta Mater、Chem Soc Rev等高水平期刊上发表200多篇SCI学术论文,申请40多项发明专利。最近十年,主要活跃在金属性陶瓷材料,即MAX相及其衍生材料MXene等研究领域。目前主持国家重点研发项目课题1项,国家自然科学基金重点项目1项,面上项目2项,江苏省双创团队项目1项,江苏省双创人才项目1项等。担任中国复合材料学会职称评定委员会常务副主任委员、江苏省海外交流协会常务理事等。2016年获第六届全国侨界贡献(创新人才)奖。

潘龙副教授简介:副教授、硕士生导师,现任东南大学材料学院功能材料系副主任。2019年加入东南大学材料学院。研究方向主要为低维纳米材料的可控制备、多层级自组装及其在电化学储能与催化领域的应用。以第一作者和通讯作者在Adv Mater、Adv Funct Mater、Nano Energy、Energy Storage Mater、Small等杂志发表论文超过15篇。目前主持江苏省自然科学基金青年基金1项,江苏省“双创博士”项目1项、南京市留学人员择优资助项目1项。

第一作者介绍
张恒,博士研究生,师从孙正明教授。硕士毕业于河南理工大学,师从周爱国教授和王李波副教授。研究方向主要为MXene及其复合、衍生材料的可控制备和电化学储能领域的应用。近五年在Adv Mater、Nanoscale、Electrochim Acta、ACS Appl Energy Mater等期刊发表学术论文十余篇。

杨莉,东南大学博士后,合作导师为孙正明教授。2020年获得中国博士后科学基金第2批特别资助(站前),并入选东南大学至善博士后计划。研究方向为MXene及其衍生物电极材料的多尺度设计,包括成分调控和多级结构构筑,以及电化学储能机理。近五年来在Adv Mater, Adv Funct Mater, Electrochim Acta等期刊发表学术论文十余篇。

【课题组网站】
https://smse.seu.edu.cn/sun/main.htm
本课题组目前招聘电化学储能相关领域的博士后,热忱欢迎广大志同道合的博士加盟。联系邮箱:zmsun@seu.edu.cn、panlong@seu.edu.cn。

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参考文献: