余彦/白晋涛AM：Mo2N-W2N异质结嵌入球形碳超结构用于多硫化物电催化剂助力高性能室温钠硫电池

文章信息

Mo2N-W2N异质结嵌入球形碳超结构用于多硫化物电催化剂助力高性能室温钠硫电池

第一作者：张世鹏

通讯作者：姚雨*，白晋涛*，余彦*

单位：西北大学，中国科学技术大学

研究背景

室温钠硫电池具有高能量密度和低成本等优势，被认为是最有潜力的储能器件之一，但由于硫的电子导电性差、中间产物多硫化钠易溶解穿梭及硫正极在循环过程中的巨大体积膨胀等问题，导致室温钠硫电池普遍存在可逆容量低、倍率性能差、自放电严重以及循环寿命短等现象，严重限制了室温钠硫电池的实际推广应用。

开发高效的硫载体用于锚定多硫化物，并催化多硫化物的快速转化过程，对于提高硫的利用率、提升电池的能量密度和循环稳定性具有重要科学意义。而如何设计具有高硫利用率、高硫负载量的室温钠硫电池，是当前研究亟需解决的关键问题。

文章简介

基于此，中国科学技术大学的余彦教授团队和西北大学的白晋涛教授团队合作在国际顶级期刊Advanced Materials（影响因子：30.849）上发表题为“Mo2N-W2N Heterostructures Embedded in Spherical Carbon Superstructure as Highly Efficient Polysulfide Electrocatalysts for Stable Room-Temperature Na-S Batteries”的文章。

该工作通过设计制备了一种Mo2N-W2N异质结嵌入球形碳超结构（Mo2N-W2N@PC）作为硫载体，有效地抑制了多硫化钠的穿梭，并为多硫化钠的快速转化提供了高的催化活性。

一方面该载体具有分级多孔的球形超结构，可以提供优异的电子导电性和丰富的微孔结构，从而能有效提高电极反应动力学并缓解充放电过程中硫电极的体积膨胀；另一方面，Mo2N-W2N异质结构不仅可以提供强吸附作用来抑制多硫化物的穿梭效应，同时能催化多硫化钠的转化过程，从而极大提高了硫的利用率。

此外，该工作还通过原位XRD、非原位XPS、紫外可见光吸收谱和硫化钠沉积实验等表征系统揭示了室温钠硫电池的电化学反应机理，为发展新型高性能室温钠硫电池提供了重要科学依据。

文章要点

要点一：硫载体的设计和构筑

本工作采用自组装法，在无表面活性剂的情况下首先制备了SiO2@RF纳米球，然后利用盐酸多巴胺的聚合作用将SiO2@RF纳米球转化为均匀的球形超结构，再经过高温碳化和氮化的过程，便可制得球形超结构Mo2N-W2N@PC异质结构，最后通过熔融扩散法将硫渗入Mo2N-W2N@PC载体的孔隙中，得到S/Mo2N-W2N@PC正极材料。

图1：S/Mo2N-W2N@PC球形超结构材料的制备示意图

由SEM和TEM形貌表征可知，Mo2N-W2N@PC是由尺寸约为100纳米的实心SiO2@RF纳米球和DA-HCl纳米片相互堆叠而成的球形超结构，其平均直径为3-5微米并具有丰富的微介孔结构，因而可以提高活性硫载量同时抑制循环过程中的硫电极的体积膨胀，保证电极的结构完整性。HRTEM中显著的异质界面及XANES谱图中的能量偏移均证实了Mo2N-W2N异质结构的形成。

图2：(a-g) S/Mo2N-W2N@PC球形超结构及前驱体的形貌图（SEM, TEM,及HRTEM）；(h)相应的元素分布 (i) XANES图谱

要点二：优异的电化学性能

将S/Mo2N-W2N@PC正极与金属钠负极匹配，采用碳酸酯体系电解液组装成室温钠硫电池。电化学测试结果表明S/Mo2N-W2N@PC正极在0.2 A g-1的电流密度下循环100次后仍能提供高达799 mAh g-1的可逆比容量；相比S/Mo2N@PC及S/W2N@PC正极，具有异质结构的S/Mo2N-W2N@PC正极展示出了更加优异的倍率性能。

此外，S/Mo2N-W2N@PC正极在1 A g-1的电流密度下经过500次循环，仍可提供517 mAh g-1的高容量，进一步证明了Mo2N-W2N@PC高效载体对硫的强力吸附和催化转化作用。

图3：S/Mo2N-W2N@PC正极电化学性能测试：(a) 循环伏安曲线, (b) 充放电曲线，(c) 0.2 A g-1 电流密度的循环性能，(d) 倍率性能，(e)循环性能，(f) 离子扩散系数，(f) 1 A g-1下的长循环性能，(h) 文献报道性能比较

要点三：电化学反应机理的阐明

可视化吸附实验及紫外可见光吸收谱均证明Mo2N-W2N@PC载体对多硫化物具有强吸附作用；硫化钠沉积实验表明具有Mo2N-W2N异质结构的基体能够有效促进多硫化物的快速转化；原位XRD和非原位XPS揭示了室温钠硫电池的反应机理，即硫在充放电过程中经历了S8→Na2S4→Na2S2→Na2S及Na2S→Na2S2→Na2S4→S8的高度可逆的转化过程。

图4：(a) 可视化吸附及紫外可见光吸收谱，(b-d) 恒电位放电沉积曲线，(e) 原位XRD (f, g) 非原位XPS

要点四：前瞻

本工作通过构筑Mo2N-W2N异质结镶嵌的球形碳超结构（Mo2N-W2N@PC）作为硫的载体，有效提高了硫的利用率，增强了反应动力学，实现了高比能长寿命的室温钠硫电池。

此外，由于本工作所设计制备的Mo2N-W2N异质结具有高的催化活性（丰富的界面态和电子态），有利于促进氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）等其他电化学反应的电荷转移动力学，因而有望作为高效催化剂被拓展到金属-空气电池体系。

文章链接

Mo2N-W2N Heterostructures Embedded in Spherical Carbon Superstructure as Highly Efficient Polysulfide Electrocatalysts for Stable Room-Temperature Na-S Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103846

通讯作者简介

余彦 教授。

中国科学技术大学材料科学与工程系教授，博士生导师。国家杰出青年基金获得者；入选英国皇家化学会会士，现兼任Journal of Power Sources副主编。主要研究方向为高性能锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等关键电极材料的设计合成及储能机制。目前在Science，Nature Energy，Adv. Mater.，等国际著名期刊上发表论文200余篇，其中包括通讯作者发表Adv. Mater. 30余篇。SCI他引24000余次，H因子86。入选“科睿唯安”以及“爱思唯尔”材料类高被引学者榜单。曾获得德国洪堡基金会“索菲亚奖”、中国硅酸盐学会青年科技奖、中国化工学会侯德榜科技青年奖、安徽省自然科学一等奖（2019年，第一完成人）、第16届中国青年科技奖，第17届中国青年女科学家奖等奖项。

白晋涛 教授。

西北大学二级教授，博士生导师，西北大学光子学与光子技术研究所常务副所长、国家级光电技术与纳米功能材料国际联合研究中心主任、省部共建西部能源光子技术国家重点实验室主任，兼任陕西省物理学会常务副理事长、秘书长。主要从事激光与物质相互作用、生物光子学、高功率全固态激光器等光子技术研究以及石墨等纳米功能新材料的制备与应用研究。先后主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重大仪器专项、国家自然科学基金面上项目、科技部国际合作重点专项等国家级科研项目10余项。已获授权专利技术50余件，发表学术论文300余篇，编著书籍3部。其核心技术分别获得了陕西省科学技术一等奖2项、二等奖1项，陕西省专利技术一等奖，中华侨联科技创新人才奖，陕西省高等学校科学技术一等奖、二等奖各1项，荣获全国优秀科技工作者称号和陕西省优秀科技工作者称号。

姚雨 博士。

中国科学技术大学博士后研究员，主要研究方向为高比能二次电池电极材料的设计及机理研究。主持国家自然科学基金青年基金项目及博士后创新人才支持计划等项目，目前以一作或通讯在Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，ACS Energy Letters, ACS Nano，Nano Lett等著名学术期刊上发表多篇学术论文。曾获得中科院院长特别奖、安徽省优秀毕业生、中国硅酸盐学会优秀博士学位论文奖等奖项。

第一作者简介

张世鹏 西北大学光子学与光子技术研究所在读博士。

于2019年至中国科学技术大学材料科学与工程系余彦教授课题组进行联合培养，迄今为止以第一作者（含共一）发表数篇高水平SCI论文，其中包括：Adv. Mater., ACS Energy Lett., Materials Today, Acc. Chem. Res., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Small。现阶段研究主要方向为新型储能材料的开发与利用。曾获得洁净能源和纳米材料实验室“年度未来之星”大赛一等奖，2020年博士研究生国家奖学金等奖项。

本文

本文来源：科学材料站