北理工黃佳琦課題組在化學類頂級期刊Angew Chem Int Ed上發(fā)表重要研究成果
發(fā)布日期：2018-12-14 供稿：前沿交叉科學研究院
編輯：朱倩云 審核：王博 閱讀次數(shù)：近日,，北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦課題組在鋰硫（Li–S）電池動力學調(diào)節(jié)方面研究取得新進展,，相關研究成果以《Activating Inert Metallic Compounds for High-Rate Lithium–Sulfur Batteries Through In-Situ Etching of Extrinsic Metal》為題在線發(fā)表于化學類頂級國際期刊《Angewandte Chemie International Edition》（《德國應用化學》，影響因子12.10）,。該研究利用原位刻蝕的Ni3FeN促進多硫化物的表面反應,，并采用先進的表征技術揭示了原位催化轉化機理。該工作開拓了多金屬合金/化合物作為高倍率Li–S電池動力學促進劑的新思路,，也提出了催化表面反應和缺陷化學作用的新見解,。本文的第一作者為北京理工大學前沿交叉科學研究院/材料學院碩士研究生趙夢，共同第一作者為清華大學彭翃杰博士,，通訊作者為黃佳琦特別研究員,。
因為具有較高的理論比能量，Li–S電池作為鋰離子電池最有希望的替代品受到極大的關注,。其高能量密度依賴于可逆的表面電化學反應,，在硫正極中引入電催化活性成分可以有效加速表面反應動力學,，從而提高硫的利用率并減輕多硫化物的穿梭效應。然而,，在電池工作條件下催化劑的真實活性相此前幾乎沒有被驗證過,。深入挖掘表面反應機理，探明催化劑活性的來源對于指導催化劑設計具有關鍵作用,。
圖1. 多硫化物刻蝕誘導的活化機制
類似于金屬催化劑設計的合金化策略,，該團隊在單金屬化合物中引入外在金屬，活化了原來的惰性相化合物,，從而促進多硫化物的表面反應動力學。以六方氮化鎳（Ni3N）作為概念驗證,，其對多硫化物的催化活性較差,。在引入鐵元素后，Ni3N轉變?yōu)楦呋钚缘牧⒎芥囪F氮化物（Ni3FeN）,。在Ni3FeN中,，處于立方結構頂角處的較高正電性的鐵（與鎳相比）傾向于通過多硫化物的刻蝕過程浸出，從而在鎳位點的周圍留下大量空位缺陷,，極大地提高了Ni3N的催化活性,。
圖2.（a,b）循環(huán)前和（c,d）循環(huán)后Ni3FeN-G的HAADF-STEM圖像和相應的元素分布
該團隊利用高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡和相應的元素映射來揭示上述機制。如圖2所示,，循環(huán)前的Ni3FeN顆粒中Ni和Fe元素的分布較為均勻,。而循環(huán)后的Ni3FeN顆粒顯示出異常的鐵元素的表面富集，證明在循環(huán)期間由于多硫化物的刻蝕作用發(fā)生了相遷移,，從而留下大量Fe元素的空位并提高催化活性,。
圖3. Ni3FeN催化作用下Li–S電池的電化學性能
鐵元素通過多硫化物的原位刻蝕作用而浸出，產(chǎn)生高活性的富空位相,，從而促進了多硫化物的動力學轉化過程,。這種富空位的Ni3FeN催化的Li–S電池表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和高硫負載下的循環(huán)穩(wěn)定性，并且可以極大降低電解液用量,。這項工作不僅闡述了惰性單金屬化合物的外在金屬活化機制,，也證明了原位相演化和空位的形成在調(diào)節(jié)催化反應中的重要作用。
論文詳情：
Meng Zhao, Hong-Jie Peng, Ze-Wen Zhang, Bo-Quan Li, Xiao Chen, Jin Xie, Xiang Chen, Jun-Yu Wei, Qiang Zhang, and Jia-Qi Huang*. Activating Inert Metallic Compounds for High-Rate Lithium–Sulfur Batteries Through In-Situ Etching of Extrinsic Metal, Angew Chem Int Ed , doi: 10.1002/anie.201812062.
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201812062
作者簡介：
黃佳琦特別研究員,，九三學社社員,，2012年博士畢業(yè)于清華大學化學工程系，2016年9月入職北理工前沿交叉科學研究院并組建課題組開展研究工作,，在國家重點研發(fā)計劃,、國家自然科學基金、北京理工大學科技創(chuàng)新計劃的資助下,，主要開展能源存儲材料研究,。黃佳琦特別研究員以第一作者/通訊作者身份,，在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Angewandte Chemie International Edition, Energy Storage Materials, Science Bulletin等期刊發(fā)表一系列研究工作。其發(fā)表論文的總引用10000余次,，h因子為56,，其中30余篇為ESI高被引論文，入選2018年科睿唯安高被引科學家（材料科學）,。
黃佳琦擔任中國顆粒學會青年理事會理事，Journal of Energy Chemistry《能源化學》及Chinese Chemical Letters《中國化學快報》青年編委,，任Advanced Functional Materials《先進功能材料》鋰硫電池?？琂ournal of Energy Chemistry 《能源化學》下一代電池?？妥庉?。入選首屆中國科協(xié)青年人才托舉計劃，獲評中國化工學會侯德榜化工科技青年獎,，中國顆粒學會青年顆粒學獎等,。
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