准 MOF 结构纳米球硫催化剂的结构设计以实现优异的锂硫还原反应动力学

【研究背景】

随着电动汽车、智能电网和电子设备的迅速发展，对能量储存装置的容量需求也与日激增。锂硫（Li-S）电池因正极材料硫的资源丰富、成本低、环境友好及高理论能量密度2600 Wh kg ^-1使其具有极佳的应用价值，然而目前仍缺乏高效的Li-S电催化剂以抑制多硫化锂的穿梭效应及加快其转化反应动力学从而提升电池的耐久性及稳定性，致使 Li-S电池难以实现实用化。因此，设计与合成高性能硫催化剂并明确其对 Li-S催化反应的影响机制及作用原理具有极其重要的科学意义和研究价值。

【工作介绍】

准MOF作为一种结构新颖的过渡态MOF材料具有高比表面积及丰富的活性位点，可作为硫催化剂以改善锂硫催化性能。目前锂硫电池是储能领域研究的热点，然而其滞后的硫还原反应动力学行为严重阻碍了其大规模的使用。为此，本文作者开发出新型的锌基准MOF多孔纳米球并首次作为锂硫电池的动态催化剂以加快硫还原的反应动力学。这种材料不仅继承了 MOF 材料的比表面积大和孔结构丰富的特点，还因其配体的缺失而暴露出丰富的金属节点作为活性位以改善多硫化锂的吸附及转化能力。通过同步辐射测试验证了准 MOF纳米球作为锂硫催化剂在电化学过程中的可逆结构转变及其对活性位点的调控作用。这种动态的结构调控机制可显著改善催化剂对多硫化锂的转化能力及其稳定性。得益于其结构优势，准MOF材料在高硫载量（6.5 mg/cm²）、低电解液用量下（E/S=4.6）仍表现出优异的循环稳定性。

【文献详情】

图 1 准MOF纳米球的d带结构，多硫化锂吸附能力及硫化锂分解能垒数据图及准MOF纳米球加快锂硫还原反应的示意图。

图 2 准MOF纳米球的宏观及微观形貌。

图 3 准MOF纳米球的结构表征及其与多硫化锂的相互作用能力。

图 4 准MOF纳米球等材料在锂硫转化反应中的结构转变及其对锂硫催化反应及性能的影响。

图 5 准 MOF 硫正极材料的锂硫电化学性能图。

Dan Luo, Chaojie Li, Yongguang Zhang, Qianyi Ma, Chuyin Ma, Yihang Nie, Matthew Li, Xuefei Weng, Rong Huang, Yan Zhao, Lingling Shui, Xin Wang, Zhongwei Chen, Design Quasi-MOF Nanospheres as Dynamic Electrocatalyst toward Accelerated Sulfur Reduction Reaction for High Performance Lithium-Sulfur Batteries, Adv. Mater., 2021, https://doi.org/10.1002/adma.202105541

作者简介：

陈忠伟：加拿大滑铁卢大学化学工程系教授，滑铁卢大学电化学能源中心主任，加拿大国家首席科学家(CRC-Tier 1), 国际电化学能源科学院副主席，加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，入选全球高被引科学家。陈忠伟院士带领一支约70人的研究团队常年致力于燃料电池，金属空气电池，锂离子电池，锂硫电池，锂硅电池，液流电池等储能器件的研发和产业化。近年来在Nat. Energy, Nat. Nanotech., Nat. Commun., Angew. Chem., Adv. Mater., Energy. Environ. Sci., 等国际知名期刊发表SCI论文400余篇，被引35000余次，H-index指数93，并担任ACS applied & Material Interfaces副主编。

课题组主页：http://chemeng.uwaterloo.ca/zchen/

王新：华南师范大学研究员，广东省杰出青年，主要研究方向为新能源材料与器件。曾获得教育部自然科学奖一等奖，主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省新型研发机构等项目；目前已申请专利66件，获批专利16件，并以第一作者或通讯作者发表论文58篇，被引次数达 3400 次，H 值为 29。相关代表性研究成果以第一作者或通讯作者发表在Nat. Commun.，J. Amer. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater.，Appl. Catal. B, Energy Storage Mater. 等行业高水平期刊上。

张永光：河北工业大学教授，主要研究方向为新能源纳米材料、锂离子电池、锂硫电池的制备及性能研究。相关研究成果以第一作者或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等国际期刊上发表论文100余篇，文章已被引用2400余次，H-index指数为30，获国家授权发明专利11项。