渤海大学蔡克迪-郎笑石团队J. Energy Storage 基于Fe3+/Fe2+动态调控MoS2构建高活性界面促进多硫化物的催化转化

进入二十一世纪以来，我国经济持续保持快速增长，能源需求快速上升。为了响应碳达峰碳中的理念，迫切需要提高储能器件的能量密度，功率密度，循环寿命等性能。伴随着大量新型能源的涌现，高理论比容量(1675 mA h g^-1)和高能量密度(2600 Wh Kg^-1)的锂硫电池在新一代能源储存系统中备受关注。然而，由于S/Li₂S的绝缘特性导致Li-S电池的实际放电比容量低于理论值。锂枝晶的形成导致电池内部短路。以及穿梭效应的产生，大幅度降低锂硫电池的循环稳定性和库伦效率，严重阻碍其商业化应用。研究发现高效的催化过程可以降低硫转化的势垒，加速“固-液-固”转化过程，从而抑制“穿梭效应”。

近日，渤海大学蔡克迪教授、郎笑石副教授、时润娜硕士研究生通过水热法进行组分调控，设计了一种新型Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂高活性界面结构纳米花状复合材料， 并以硫负载用于高性能锂硫电池。Fe³⁺和Fe²⁺在氧化还原反应过程中的相互转化诱导MoS₂催化剂的动态结构变化，构建了高活性的界面结构，促进了多硫化物的催化转化，有效地限制“穿梭效应”。此外，Fe掺杂促进二硫化钼的有利相变（2h→1T），进一步提高其催化活性。通过系列测试证明摩尔比为 4：1：2 的材料对 LiPSs 具有高的吸附-转化能力。氧化还原过程中Fe³⁺和Fe²⁺的发生相互转化，并伴随着锂离子的整合和分离现象，这为Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂/S复合阴极提供了额外的比容量，从而在0.1 C电流速率下达到1900 mAh g^-1，具有优异的电化学性能。相关成果以《Construction of highly active interfacial structures based on Fe³⁺/Fe²⁺dynamically regulated MoS₂to promote polysulfides catalytic conversion for lithium-sulfur batteries》在国际著名期刊《Journal of Energy Storage》上发表。

【图文导读】

（a）Fe³⁺和Fe²⁺掺杂MoS₂材料的合成示意图

（a-e）4：1：1，4：1：2，4：2：1，4：2：2，4：1：3的SEM图

（f-g）4：1：2的TEM和HRTEM图

(a)Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂系列材料的XRD图

(b)Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂系列材料的Raman图

(c)4：1：2的Raman特征峰图

(d)Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂系列材料载硫后的Raman图

(a)4：1：2时Fe、O、C、Mo、S的XPS图谱

(b)4：1：2时Fe 2p 的XPS图谱

(c)4：1：2时Mo 3d 的XPS图谱

(d)4：1：2时S 2p 的XPS图谱

（a-e）Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂系列材料的CV曲线

（f）锂硫电池中Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂/S中间层的机理示意图

（a）电极的塔菲尔曲线

（b）电极的交流阻抗图（内部为拟合电路图）

（c）电极的GITT图

（a-c）电极在 0.1、0.2 和 0.5C 电流密度下的首次充放电图

（d）电极在 0.1 C 电流密度下放电平台的容量(QH和 QL分别表示高平台和低平台)

（e）电极在 0.2 C、0.5 C 和 1C 电流密度下的循环性能图

（f）电极在 0.5 C 电流密度下循环500次的性能图

(a)不同样品对 Li₂S₆溶液的吸附照片

(b)紫外-可见光谱

(c)对称电池在 10 mV s⁻¹下的 CV 曲线

(d)Li₂S 成核测试

本文制备的具有活性界面结构的Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂/S复合阴极基体，在电化学过程中，Fe³⁺和Fe²⁺价态的相互转换诱导了MoS₂结构的动态变化，优化催化剂的催化效果。高活性界面结构的形成为电化学反应提供丰富的活性位点，提高LiPSs的吸附能力，促进可溶性LiPSs催化转化为不可溶性Li₂S的能力，从而有效地抑制了“穿梭效应”，提高了硫的利用率。Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂/S复合阴极在摩尔比为4：1：2时，具有优异的电化学性能，在0.5 C电流密度下进行500次充放电循环，单词容量衰减率只有0.13%。综上所述，本研究提高了锂硫电池的电化学性能，为硫阴极转化反应中催化剂掺杂金属原子之间的关系提供了初步的认识和理解。同时表明，基于Mo、Fe²⁺和Fe³⁺摩尔比为4：1：2的纳米花状Fe³⁺/Fe²⁺@MoS₂作为硫包裹基体具有广泛的应用前景。

时润娜，渤海大学2022级硕士研究生，主要致力于高效锂硫电池体系复合电极的调控、设计及电化学性能研究。自入学以来荣获渤海大学优秀研究生、优秀共青团员标兵、社会实践先进个人等荣誉称号，在Journal of Energy Storage期刊上发表SCI论文1篇，以第二作者的身份发表论文3篇，发明专利1篇。

郎笑石，博士，副教授，硕士生导师，2015 年 7 月毕业于哈尔滨工业大学化学工程与技术专业并获工学博士学位。目前在渤海大学化学与材料工程学院任教，加入先进化学电源研究所从事锂硫电池、铅酸电池、锂离子电池、锂空气电池以及超级电容器等领域研究。近年来，主持或参与国家及省部级以上项目 10余项。先后在 Journal of Power Sources、Composites Part B-Engineering 等期刊发表学术论文 30 余篇，其中 ESI 高被引论文 3 篇。申请或授权国家发明专利 20 余项，并获辽宁省自然科学学术成果奖三等奖 1 项，锦州市自然科学学术成果奖一等奖 1 项，出版学术专著 2 部。

蔡克迪，教授，博士生导师，辽宁特聘教授，兴辽英才计划“青年拔尖人才”，辽宁省百千万人才工程“百人层次”。获中国产学研合作创新奖(2018年)，辽宁青年滚球体育 奖(2019年)，辽宁省高校优秀共产党党员(2021年)，辽宁省优秀滚球体育 工作者(2022年)。

现任渤海大学滚球体育 处处长，电化学储能材料与技术研究所所长。中国超级电容器产业联盟青年理事，中国材料研究学会青年工作委员会理事，中国化学会高级会员，国家自然科学基金函评专家，教育部学位中心评审专家，多省市滚球体育 奖评审专家，目前担任Advanced Functional Materials等 20 余个国内外学术期刊审稿专家。

近年来，主要从事能源化学与能源材料领域的基础应用研究，在新型化学电源体系、先进电极材料构建等方向开展了有意义的研究工作。先后主持了国家自然科学基金(面上、青年)、中国博士后基金(特助、一等)、辽宁省滚球体育 厅重点研发计划等 20 余项国家及省部级课题，先后在 Composites Part B、Journal of Energy Chemistry、ACS AMI 等国内外学术期刊上发表SCI论文 120 余篇，其中 6 篇文章入选 ESI高被引论文，4 篇文章入选 ESI 热点论文。申报 82项国家专利、2项国际专利，其中授权 76 项（第一发明人 36项），滚球体育 成果转化 4 项，企业直接或间接经济利润三千余万元。其中部分相关滚球体育 成果省部级以上鉴定为“ 国际先进” ，并在《中国发明与专利》、《辽宁日报》等杂志报刊上进行了专题报道。参与制定团体标准 2 项，参编《Advanced Electrochemical Materials in Energy Conversion and Storage》英文专著一部，主编《化学电源技术》等学术著作 3 部。

文章信息：Construction of highly active interfacial structures based on Fe³⁺/Fe²⁺dynamically regulated MoS₂to promote polysulfides catalytic conversion for lithium-sulfur batteries，Journal of Energy Storage 88 (2024) 111571

DOI: 10.1016/j.est.2024.111571

供稿人：时润娜