北理工在鋰硫（Li–S）電池多相催化方面的研究新進(jìn)展
發(fā)布日期：2020-03-30 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：朱倩云 審核：施瑞 閱讀次數(shù)：近日,，國(guó)際化學(xué)與材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition,，影響因子12.2）報(bào)道了北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃佳琦課題組在鋰硫（Li–S）電池多相催化方面的研究新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Electrochemical Phase Evolution of Metal-Based Pre-Catalysts for High-Rate Polysulfide Conversion”為題在線發(fā)表,。該工作第一作者為北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院博士研究生趙夢(mèng),，共同第一作者為彭翃杰博士，通訊作者為北京理工大學(xué)黃佳琦教授,。
工作狀態(tài)下的催化劑的相/結(jié)構(gòu)演變對(duì)其催化活性和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)具有重要影響,。目前，催化劑原位相演化的理解與探究?jī)H限于質(zhì)子氫/氧（水）電化學(xué),，在非質(zhì)子電化學(xué)領(lǐng)域的相應(yīng)研究相對(duì)匱乏,。而非質(zhì)子電化學(xué)反應(yīng)卻是具有高能量密度的堿金屬（Li/Na/K）-硫族元素（S/O2）電池的基石。由于涉及到多電子轉(zhuǎn)移反應(yīng),，這些電池體系往往需要高效的電催化劑來(lái)促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)的遲緩動(dòng)力學(xué),。然而，目前尚不清楚這些催化劑在非質(zhì)子環(huán)境中如何演化以及這種演化行為對(duì)催化性能的真實(shí)影響,。探究非質(zhì)子環(huán)境中大半徑堿金屬陽(yáng)離子和中間體在催化劑演變中的作用，對(duì)于理解電催化劑的作用并確定其真實(shí)活性催化相/位點(diǎn)具有重要意義,，這也是合理設(shè)計(jì)新催化劑和性能更好的電池的先決條件,。
該團(tuán)隊(duì)研究了在工作狀態(tài)下Li–S電池中金屬基預(yù)催化劑的原位相演化過(guò)程。并借助先進(jìn)的表征技術(shù)揭示電化學(xué)循環(huán)誘導(dǎo)單晶Co4N向富含活性位點(diǎn)的多晶CoSx的原位轉(zhuǎn)變現(xiàn)象（圖1）,。該演變產(chǎn)物高度適應(yīng)富含多硫化物的非質(zhì)子環(huán)境,，并且在模型實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出對(duì)含硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的較高催化活性。該團(tuán)隊(duì)利用密度泛函理論計(jì)算了在多硫化物刻蝕作用下，Co4N顆粒表面和體相中不同空位的形成能,，驗(yàn)證了多硫化物刻蝕引起的相演化機(jī)理,。基于廣泛的鈷基化合物和其他金屬元素的進(jìn)一步計(jì)算證明了電化學(xué)誘導(dǎo)硫化現(xiàn)象的普適性,，并預(yù)測(cè)了在Li–S電池中使用的大多數(shù)金屬及其富金屬化合物催化劑中,，含零價(jià)金屬原子的化合物將被全部或部分硫化。
圖1. 預(yù)催化劑的原位電化學(xué)相演變的示意圖和對(duì)應(yīng)的電子顯微圖像,。富金屬化合物作為預(yù)催化劑（以Co4N為例）在工作電池中經(jīng)歷原位“馬賽克化”相演變的過(guò)程示意圖,。
當(dāng)Co4N預(yù)催化劑被引入Li–S電池，原位相演化產(chǎn)生的高活性催化劑使得電池在動(dòng)力學(xué)苛刻的條件下（例如10 C倍率和低至4.7 mL mgS?1的E/S比）仍具有出色的性能,。該工作將對(duì)Li–S電池以外的電化學(xué)和Co4N以外的催化材料產(chǎn)生廣泛影響,，包括對(duì)原位生成的硫化物的催化活性相研究，通過(guò)電化學(xué)演化來(lái)設(shè)計(jì)新型電催化劑,，以及從含水電化學(xué)向質(zhì)子惰性電化學(xué)轉(zhuǎn)變的研究的新的認(rèn)識(shí)與應(yīng)用,。
論文詳情：
Meng Zhao, Hong-Jie Peng, Bo-Quan Li, Xiao Chen, Jin Xie, Xinyan Liu, Qiang Zhang, Jia-Qi Huang*. Electrochemical Phase Evolution of Metal-Based Pre-Catalysts for High-Rate Polysulfide Conversion, Angewandte Chemie International Edtion , doi: 10.1002/anie.202003136.
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202003136
附作者簡(jiǎn)介：
黃佳琦，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授,，博士生導(dǎo)師,，九三學(xué)社社員。主要開(kāi)展能源界面化學(xué)研究,。在Angew Chem Int Ed, J Am Chem Soc, Adv Mater, Adv Funct Mater, Sci Bull等期刊發(fā)表研究工作100余篇,，h因子為68，其中40余篇為ESI高被引論文,。入選首屆中國(guó)科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃,，獲評(píng)中國(guó)化工學(xué)會(huì)侯德榜化工科技青年獎(jiǎng)，中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)青年顆粒學(xué)獎(jiǎng),，國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃青年拔尖人才,，2018、2019年科睿唯安高被引科學(xué)家等,。
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