广工刘全兵和SCUT梁振兴、Adv. Energy Mater.：锂硫电池中纳米反应器内置电场作为“桥梁”：使多硫化物迁移、转化

第一作者：李俊豪

通讯作者：刘全兵*

单位：广东工业大学，华南理工大学

在各种异质组分之间的界面上构建内置电场（BIEF），可以改变吸附剂与催化剂之间界面的电子结构，进一步调整吸附能力和催化活性。最近的一些研究提出了BIEF有利于多硫化物从吸附剂向催化剂定向迁移的观点。因此，进一步提出异质结构的设计原理，为多硫化物提供定向迁移的驱动力具有重要意义。

近日， 广东工业大学刘全兵教授课题组和华南理工大学梁振兴教授课题组 联合在国际知名期刊 Advanced Energy Materials 上发表题为 “Nanoreactors Encapsulating Built‐in Electric Field as a “Bridge” for Li–S Batteries: Directional Migration and Rapid Conversion of Polysulfides” 的研究性文章。

该文章从内置电场方向的角度提出异质结构合理设计需要考虑的因素：(1)多硫离子的扩散速率远低于锂离子和电子的迁移速率，说明多硫离子的扩散在离子/电子迁移中属于限速步骤；(2)多硫离子带负电荷，迁移方向与内置电场方向相反；(3)内置电场的方向被两种物质的功函数差异所决定。因此，理想的异质结构应由中等吸附能力、高催化活性、低功函数的催化剂和强吸附能力、高功函数的吸附剂组成，此时界面异质结作为桥梁连接吸附剂和催化剂。这种异质结构的合理构筑实现了对硫物质的连续“捕获-定向迁移-转化”，意味着多硫离子首先在吸附剂附近富集，然后在内置电场的作用下从吸附剂定向迁移到异质界面，最后迁移到催化剂表面并实现不断转化。

具体来说，受细胞工厂和纳米反应器的启发，利用纳米反应器封装催化剂和活性硫，使硫物种的运动都限制在框架内，而锂离子则可以自由移动。因此，作者利用硬模板法合理设计了Fe ₃ O ₄ /FeP@C的异质结构，证明了上述电催化剂的设计原理。半导体Fe ₃ O ₄ 具有较强的吸附能力和较低的催化活性，而金属FeP具有中等的吸附能力和较好的催化活性。BIEF作为桥梁将两者连接起来，使多硫离子从Fe ₃ O ₄ 定向迁移到FeP上进行催化转化。本研究为设计一种高性能的电催化剂提供了一种有效的策略。该研究得到了国家自然科学基金、广东省重点领域研究发展计划、广东省燃料电池技术重点实验室研究基金计划、佛山创新创业团队引进项目的资助与支持。

具有异质界面内置电场的蛋黄-蛋壳Fe ₃ O ₄ /FeP@C结构是一种高效的电催化剂。基于理论计算和实验结果显示，电催化剂合理的设计实现了多硫化物连续的“吸附-定向迁移-转化”反应过程。界面BIEF作为“桥”连接了Fe ₃ O ₄ 和FeP，使具有高吸附能力的Fe ₃ O ₄ 与优异催化活性的FeP实现协同作用。大量的Sn ²⁻ 离子首先聚集在Fe ₃ O ₄ 一侧，随后定向迁移到异质结，最终到达FeP表面，进行快速可逆的氧化还原反应。由于这种特殊的机制，多硫化物的穿梭效应受到了极大的抑制，而硫物质的转化动力学和重复利用效率则大大提高。因此，Fe ₃ O ₄ /FeP@C-S正极在0.1 C下表现出超高的初始比容量1402 mAh g ⁻¹ ，在高电流密度下循环350次仍保持在450 mAh g ⁻¹ 以上。因此，本工作提出一种高性能催化剂的设计策略。

Nanoreactors Encapsulating Built-in Electric Field as a“Bridge” for Li–S Batteries: Directional Migration and Rapid Conversion of Polysulfides

李俊豪 博士，毕业于广东工业大学。研究方向为锂离子/锂硫电池，迄今第一/通讯作者在Adv. Energy Mater.，J. Energy Chem.，Renewables, Small, Nanoscale, Ind. Eng. Chem. Res,  Green chemistry等期刊发表论文10多篇，目前在华南理工大学梁振兴课题组从事博士后工作。

点分享

点赞支持

点赏