首页 > 行业资讯 > 氮掺杂中空蜂窝状碳球负载α-MoC1-x电催化剂助力高性能室温钠硫电池

氮掺杂中空蜂窝状碳球负载α-MoC1-x电催化剂助力高性能室温钠硫电池

时间：2022-08-09 来源：浏览：

氮掺杂中空蜂窝状碳球负载α-MoC1-x电催化剂助力高性能室温钠硫电池

Energist 能源学人

能源学人

微信号 energist

功能介绍能源学人，打造最具影响力的能源科技服务平台！

收录于合集

室温钠硫电池（RT-Na/S）因其高的理论比容量、价格低廉以及环境友好等优势而成为最有前景的储能候选电池器件之一。然而，硫本身导电性低，充放电过程中中间体多硫化钠（NaPSs）严重的“穿梭效应”、大的体积效应及缓慢电极动力学反应等严重制约了其商业化应用进程。因此，合理设计高效的硫正极载体，实现对多硫化物的锚定，并催化多硫化物的快速转化过程对于实现高性能室温钠硫电池至关重要。

【工作介绍】

近日，华南理工大学黄建林团队以羧基化的聚苯乙烯（PS）为模板，ZIF-8为主体框架材料，磷钼酸（PMA）为客体功能分子。利用ZIF-8具有的大孔道和小窗口特性，可以将PMA限制在其孔道中，并沿PS表面自组装堆积形成核壳结构的PS/PMA@ZIF-8前驱体，经高温热解合成超小α-MoC _1- _x 纳米颗粒均匀负载在三维贯通的蜂窝状中空碳球上（MoC@NHC），将其作为室温钠硫电池的硫载体材料具有如下优势：（1）中空碳结构具有较大的空隙空间，可以实现高硫负载并缓冲其体积膨胀；（2）由PMA@ZIF-8衍生的氮掺杂的碳壳可以有效提高电极的电导率和吸附多硫化物；（3）嵌入的极性α-MoC _1- _x 纳米颗粒不仅增强了吸附多硫化钠的能力，而且对多硫化钠的氧化还原过程表现出优异的电化学催化活性。这种三维贯通中空碳球结构的设计实现了吸附-催化调控的协同效应，从而极大地提升了室温钠硫电池的电化学性能。通过理论计算、多硫化物吸附、电化学测试等多种实验，揭示了MoC@NHC对多硫化钠的吸附以及催化转化作用机制。该成果以“A highly-efficient electrocatalyst for room temperature sodium-sulfur batteries: assembled nitrogen-doped hollow porous carbon spheres decorated with ultrafine α-MoC _1- _x nanoparticles”为题发表在国际期刊Energy Storage Materials上。本文第一作者为赣南师范大学牟机熔博士和广东工业大学李艺娟副教授，通讯作者为华南理工大学黄建林。

【内容表述】

图1 . S/MoC@NHC的合成示意图（a）， PS的SEM图（b），PS/PMA@ZIF-8前驱体的SEM图（c）， MoC@NHC的SEM （d），TEM（e），HR-TEM（f），选区电子衍射图（g）, 和 STEM-HADDF图及其所对应的元素分布图（h-k）

图2. MoC@NHC的XRD图（a），Raman光谱图（b），吸附脱附曲线（c）；MoC@NHC-15的孔径分布图（d），N 1s（e）和Mo 3d（f）的XPS图

图3 . S/NHC和S/MoC@NHC-15在0.1 C的循环性能图（a）；S/MoC@NHC-15的充放电曲线图（b）和 CV曲线（c）；S/NHC和S/MoC@NHC-15的倍率性能图（d）； S/MoC@NHC-15 不同倍率下的充放电曲线（e）；倍率性能与其他文献报道正极材料的性能对比图（f）；S/MoC@NHC-15 在1.0 、2.0和5.0下的长循环性能图（g）

图4 . S/MoC@NHC-15 在不同硫面载量下的倍率性能图（a），充放电曲线（b）和0.5 C的循环性能图（c）；S/MoC@NHC-15（d-f）和S/NHC（h-j）不同扫速的CV曲线图和log（i）-log（v）曲线图（g，k）

图5 . 多硫化物吸附及紫外光谱图（a），MoC@NHC-15/Na ₂ S ₆ 的S 2P（b）和Mo 3d的XPS图（c），对称电池CV曲线（d），LSV曲线（e）和不同电极上Na ₂ S氧化的Tafel图（f），非原位的XPS图（g-i）

图6 . Na ₂ S和Na ₂ S ₆ 在NHC和MoC@NHC上的吸附能以及优化结构模型图（a），Na ₂ S在NHC和MoC@NHC上的分解能以及优化结构模型图（b，c），多硫化物催化转化的机理图（d-e）

【总结】

本研究开发了一种三维贯通蜂窝状结构的α-MoC _1- _x 修饰氮掺杂中空碳球（MoC@NHC）作为室温钠硫电池高效正极电催化剂。一方面，其具有的大比表面积和中空结构有利于对多硫化钠的物理吸附和缓冲充放电过程中体积的膨胀。另一方面，极性的α-MoC _1- _x 催化剂不仅能锚定多硫化物，而且对硫的还原和氧化过程具有高的催化效果，从而有效地抑制了多硫化钠的穿梭效应，减少了活性材料的损失，加快了电化学反应的动力学，极大地提升了室温钠硫电池的电化学性能。电化学测试结果显示，S/MoC@NHC-15具有优异的倍率性能，在10.0 C，其容量高达 351.8 mAh g ⁻¹ ；且分别在1.0 C和5.0 C循环1000次后，容量分别保持在418.4 mAh g ⁻¹ 和 312.6 mAh g ⁻¹ 。本工作提供了基于结构-吸附-催化界面工程的设计，为室温钠硫电池高效催化剂的合成提供了新思路。

Jirong Mou, Yijuan Li, Liqi Ou, Jianlin Huang, A highly-efficient electrocatalyst for room temperature sodium-sulfur batteries: assembled nitrogen-doped hollow porous carbon spheres decorated with ultrafine α-MoC _1-x nanoparticles, Energy Storage Materials, 2022.

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.07.028

课题组简介

华南理工大学黄建林团队围绕基于纳米技术和工程学交叉背景，主要从事能量存储与转换、电催化方面研究：（1）柔性电子功能薄膜材料的设计及其柔性电子器件应用开发；（2）CO ₂ 、有机污染物（热、电）催化还原；（3）木质基材料（如，纳米纤维素、木材等）的高值化利用。近年来，以第一/通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Nano Energy, Adv. Fun. Mater., J. Mater. Chem. A, Small Methods, Energy Storage Mater.等知名期刊发表学术论文50余篇；申请国家发明专利10余项(授权6项); 先后主持国家自然科学基金青年、面上项目；广东省、广州市等科研项目; 受邀在国际/国内能源化学、环境化学相关大会上做邀请报告及担任分会主席。

课题组网址：

http://sites.scut.edu.cn/jhuang/main.psp

顶刊攻略：固态锂金属电池负极保护的最新进展

2022-08-08