B. Fan, W. Chen, K. Li, Q. Wei, Q. He, W. Liu, B. Zhou, J. Yuan, Y. Zou. Synergistic adsorption and catalytic effects of Ti3C2Tx/CoO/MoO3 composite on lithium polysulfides for high-performance lithium–sulfur batteries. Interdiscip. Mater. 2024; 3(5). doi: 10.1002/idm2.12178
摘 要
1. 复合材料的制备
图1中展示了Ti3C2Tx/CoO/MoO3复合材料的制备过程。首先将紧密贴合的Ti3AlC2经酸刻蚀后形成蓬松多层的Ti3C2Tx。然后，将Ti3C2Tx作为催化剂的载体，在其二维的多层平面上负载不同类型的过渡金属氧化物催化剂。其中，蓬松多层的Ti3C2Tx可以作为多硫化锂的物理阻隔层，而CoO和MoO3则是该阻隔层上对多硫化锂进行有效吸附和催化的双功能催化剂。
图1（A）Ti3C2Tx/CoO/MoO3复合材料制备示意图。（B）Ti3C2Tx和（C）Ti3C2Tx/CoO/MoO3的SEM图像。（D）Ti3C2Tx/CoO/MoO3的HRTEM图像。（E-J）Ti3C2Tx/CoO/MoO3中相应元素的映射。
2. 修饰隔膜的阻隔效果
为了评估经Ti3C2Tx/CoO/MoO3修饰的隔膜对可溶性多硫化锂渗透的阻隔性能，Li2S6电解质的渗透实验在H型电解池中进行。如图2A所示，具有丰富孔隙结构的PP隔膜（~300 nm）无法抑制多硫化锂的渗透。相比之下，Ti3C2Tx/CoO/MoO3改性隔膜在较长时间内可以有效抑制多硫化锂的渗透。通过XPS表征并对比分析Ti3C2Tx/CoO/MoO3吸附Li2S6前后的材料可以发现。在吸附Li2S6后，Mo 3d谱中可以明显观察到的S 2s特征峰，这可归因于MoO3催化剂有效吸附了多硫化锂中的一些硫原子。而且在吸附了多硫化锂后，Co 2p 轨道中的峰出现了向低结合能方向偏移，而Mo 3d轨道中的峰则向高结合能方向偏移的现象。这种现象意味着复合催化剂在吸附前后，Co原子和Mo原子周围的电子云密度均发生一定的变化。
图2（A）Ti3C2Tx/CoO/MoO3改性隔膜（左）和PP隔膜（右）在Li2S6溶液中的渗透情况对比。（B）Ti3C2Tx/CoO/MoO3复合材料吸附Li2S6前后的XPS窄谱分析。（C）CoO 和 MoO3吸附Li2S6后的差分电荷。
3. 理论计算
采用密度泛函理论对本研究中的几种材料进行了吉布斯自由能，吸附能，过渡态等方面的理论计算研究，以凸显出各材料之间的性能差异和它们对多硫化锂在转化过程中的一些影响。
图3（A）吉布斯自由能比较。（B）多硫化锂的吸附能对比。（C-E）短链多硫化锂的过渡态计算。
4. 电池性能
Ti3C2Tx/CoO/MoO3可以有效地物理阻隔和化学吸附多硫化锂，从而有效改善了锂硫电池的整体性能。此外，CoO和MoO3的复合催化剂可以提升多硫化锂的催化转化率。因此，Ti3C2Tx/CoO/MoO3@PP电池也在高倍率和长循环条件下表现出了优异的电化学性能。
图4 （A）Ti3C2Tx/CoO/MoO3@PP锂硫电池的GITT电压曲线。（B）首圈充电曲线。（C）静置电压曲线。（D）倍率性能对比。（E）0.5 C下的循环性能。（F）循环电压曲线。（G）不同倍率下的循环性能。（H）高负载循环循环。（I）Ti3C2Tx/CoO/MoO3@PP功能性隔膜的效果示意图。
邹应萍
中南大学，二级教授，博士生导师。2008年博士毕业于中国科学院化学研究所，随后进入中南大学任教，2014年破格晋升教授。2008年至2010年于加拿大拉瓦尔大学从事博士后研究工作，2012年至2013年于美国斯坦福大学访问研究。截至目前公开发表光电有机高分子相关SCI论文300余篇，其中以一作/通讯作者在Joule、Nat. Photon.、Energy Environ. Sci、Chem、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等国际知名学术期刊上发表论文190余篇。其中，19篇论文入选ESI高被引论文，多篇入选ESI热点论文。获授权国际专利1项和中国发明专利20余项。长期从事有机/聚合物太阳能电池、光伏-储电一体化、有机/高分子荧光成像、通用高分子等领域的研究。
范 斌
中南大学博士研究生在读，目前主要从事储能电池材料和光-储一体化器件设计方面的研究。
陈伟琨
中南大学博士研究生在读，目前主要从事理论计算，太阳能器件和光-储一体化器件设计方面的研究。
Interdisciplinary Materials（交叉学科材料）是由Wiley出版集团与武汉理工大学联合创办的开放获取式高水平学术期刊。主编为张清杰院士和傅正义院士。30位国际杰出学者和45位两院院士作为期刊的编辑委员会委员。Interdisciplinary Materials 是国际上聚焦材料与其它学科交叉前沿发起出版的首本“交叉学科材料”领域高水平期刊，旨在发表材料学科与物理、化学、数学、力学、生物、能源、环境、信息等学科交叉研究的最新成果。
· 2022年1月首发，前三年完全免费发表
· 2022年6月被DOAJ数据库收录
· 2022年9月入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”
· 2023年7月被Ei Compendex数据库收录
· 2023年11月被ESCI数据库收录
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