广东工业刘全兵课题组Nanoscale：设计MoO2-Co2Mo3O8异质结构平衡锚定与催化多硫化物的能力

【研究背景】

锂硫电池（Li-S）作为下一代储能系统，目前受到多硫化物穿梭效应以及多硫化物转化反应动力学缓慢的限制，从而导致多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应。实现Li-S电池正极主体中多硫化物的捕获与转化是避免LiPSs损失的有效途径。反应过程中多种中间体的产生加剧了系统的复杂性，仅依赖一种催化剂难以使电池完美运行。此外，平衡多硫化物的捕获能力与催化能力也至关重要。

【成果简介】

近日，广东工业大学轻工化工学院刘全兵教授课题组，为平衡捕获与催化LiPSs能力，制备了 MoO₂-Co₂Mo₃O₈ 异质结构内嵌于多孔球体中。其中控制钴的含量可以平衡 MoO₂ 对 LiPSs 的捕获能力和 Co₂Mo₃O₈ 催化位点的液固转化催化能力。因此，利用 MoO₂-Co₂Mo₃O₈ 异质结构的协同效应增强了 Li−S 电池中对多硫化物的捕获和催化能力。基于 MoO₂-Co₂Mo₃O₈正极，电池在 0.2 C 下 100 次循环后具有 880 mAh g^-1 的优异稳定性，在 1 C 下 1000 次循环后具有 509 mAh g^-1，每个循环的容量衰减为 0.056%。这项工作为通过掺杂金属合成异质结构提供了一种合理的方法。此外，它促进了对平衡和促进对 LiPSs 的捕获能力和催化转化能力的理解。该研究成果以“Balanced capture and catalytic ability toward polysulfides by designing MoO₂-Co₂Mo₃O₈ heterostructure for lithium–sulfur batteries”为题发表在国际知名期刊Nanoscale (IF：7.79)上。

Fig. 1 (a) 9MoO₂:2Co₂Mo₃O₈异质结构的合成方法；(b, c) NMCSs, (d, e) 9MoO₂:2Co₂Mo₃O₈的扫描电镜图；(f−i) 9MoO₂:2Co₂Mo₃O₈的透射电镜图；(j−p) 9MoO₂:2Co₂Mo₃O₈能谱图

Fig. 2 9MoO₂:2Co₂Mo₃O₈ XPS谱图

Fig. 3 (a)吸附LiPSs可视化实验；(b) 相应的紫外可见光吸收谱图；(c) Li₂S₆ 对称电池的CV测试；(d) Li−S 电池的CV测试；(e) 在 2.08 - 2 V的Tafel斜率；(f-h) 锂离子扩散系数

Fig. 4 Li₂S沉积实验

Fig. 5 电化学测试: (a)恒流充放电曲线；(b) 放电曲线Q₂/Q₁ 值；(c) 0.2 C下的循环稳定性测试；(d) 9MoO₂:2Co₂Mo₃O₈ 在不同电流密度下的充放电曲线；(e)不同电流密度下的极化电压；(f) 倍率性能；(g) 1 C下的循环稳定性测试

Fig. 6 (a) NMCSs; (b) MoO₂; (c) 9MoO₂:2Co₂Mo₃O₈的作用机理

【总结与展望】

从上述结果，我们总结了MoO₂-Co₂Mo₃O₈异质结构优越性显着增强的电化学性能的原因如下：i) 球形结构状态保留了丰富的空隙体积和缓冲空间，以容纳S和LiPSs并缓解体积膨胀，在长期放电-充电循环过程中保持物质的骨架完整性；ii) 碳化球形结构加速了独特通道中的电荷/电子传输，在氧化还原动力学方面得到了极大的促进；iii) MoO₂ 在为 LiPSs 提供大量吸附位点以在放电/充电循环中主动吸附它们方面发挥作用；iv) 催化活性中心 Co₂Mo₃O₈增强了氧化还原动力学并确保了从液态 LiPSs到固态硫产物Li₂S₂/Li₂S转化，从而显着提高了活性硫的利用率并促进了 LSB 的电化学性能。v) 可控组分异质结结构 MoO₂−Co₂Mo₃O₈ 不仅满足优异的物理捕获能力，而且加速了液固转变的反应动力学，实现了高性能锂硫电池的吸附-扩散-转化的动态平衡。

通讯作者简介：刘全兵，教授，博士生导师。广东省“青年珠江学者”，广州市“珠江科技新星”，具有较丰富的锂离子电池工程开发经验。近年来主要开展电化学能源存储和转换方面的新能源材料与器件研究，涉及锂/锂离子/锂硫电池、超级电容器、电催化/燃料电池等新型化学电源，主持开发了多款型号锂离子电池产品，并得到了实际应用。个人主页：https://qghgxy.gdut.edu.cn/info/1067/13175.htm

共同通讯作者：博士后 石凯祥；第一作者：博士生 李俊豪

论文链接：https://doi.org/10.1039/D1NR04506G