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ACS Nano :双层催化剂,逐步催化可抑制多硫穿梭

2019-12-30 来源:转载自第三方

锂硫电池因具有能量密度高,成本低廉且对环境友好等优点,受到广泛关注。但因为多硫化物在正负极间迁移导致活性物质损失和电能的浪费等问题,限制了其商业化应用。近年来,研究人员研发出多种方法来解决这一难题,比如,通过添加极性的纳米颗粒,来吸附和固定多硫化物,通过使用催化剂来抑制多硫化合物的穿梭行为等。

近日,国际期刊 ACS Nano 上的一篇文章报道了一种新的方法,新加坡国立大学的 Jim Yang Lee 等人通过将两种催化剂结合,分阶段地催化硫的“固-液”和“液-固”转化来抑制多硫穿梭。

研究人员选用铁氮共掺杂的碳材料(Fe-N@C)和钴氮共掺杂的碳材料(Co-N@C)作为研究对象,将Fe-N@C与硫混合后涂覆于铝箔上作为活性物质层,再将Co-N@C进一步涂覆于硫正极表面,作为中间层,从而得到具有双层催化剂的硫正极Fe/Co−N@C/S。根据报道,Fe-N@C和Co-N@C可分别催化“硫-长链多硫化物”和“长链多硫化物-硫化锂”两个阶段的转化反应,因此该电极结构中,第一阶段,硫在Fe-N@C的催化下被还原,产生长链多硫化物。该长链多硫化物向外扩散至Co-N@C层时,则进一步被还原产生硫化锂,最大化地提高了活性物质的利用率。

另外,为验证这种逐步催化的思想,研究人员分别对放电和充电过程进行了测试和分析。实验结果表明,放电过程中,在相同的驱动力下,Fe-N@C可促进硫向长链多硫的转化,而Co−N@C更易促进长链多硫向硫化锂的转变。在充电过程中,Co-N@C/Li2S对硫化锂的分解有催化效果。而在Fe-N@C表面,Li2S4更易被氧化,变成硫沉积到材料表面。而且,研究人员通过理论计算得到的分析结果与实验结果基本吻合,说明Fe-N@C主要催化硫与长链多硫间的转化,Co-N@C主要催化长链多硫与硫化锂之间的转化。

此次研究设计的双层催化剂、逐步催化的思想能够实现正极反应过程的分阶段催化和调控,对于锂硫电池的后续研究具有重要启发意义。

       参考资料:

        Hualin Ye, Jianguo Sun, Shengliang Zhang, Haibin Lin, Tianran Zhang, Qiaofeng Yao, and Jim Yang Lee*, Stepwise Electrocatalysis as a Strategy against Polysulfide Shuttling in Li−S Batteries, ACS Nano, 2019, DOI:10.1021/acsnano.9b07121

 

 


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