南開大學高學平&南昌大學張澤Nano Energy: 高熵鈣鈦礦氧化物納米纖維作為鋰硫電池的催化劑

石浩東大化所 3個月前 (04-22) 808瀏覽

圖圖

 

  • 【導讀】

過渡金屬氧化物由于其強大的多硫化物吸附能力和對硫氧化還原反應的催化作用，是一類很有前途的鋰硫（Li-S）電池硫主體材料。事實證明，引入多種金屬元素可以增強吸附催化性能，因此高熵氧化物（HEOs）在鋰硫電池中顯示出良好的競爭潛力。

 

二、【成果掠影】

近日，南開大學高學平研究員與南昌大學張澤副教授研究團隊通過靜電紡絲煅燒方法制備的高熵鈣鈦礦氧化物La0.8Sr0.2（Cr0.2Mn0.2Fe0.2Co0.2Ni0.2）O3（HE-LSMO）納米纖維顯示出與硫結合的獨特多孔纖維結構。引入的多種金屬元素可以有效地調節可溶性多硫化物的結合強度。HE-LSMO納米纖維作為可溶性多硫化物和不溶性Li2S之間液固轉化過程的雙向電催化劑，硫負載量為8.4 mg cm?2的S/HE-LSMO正極在5.3μL mg?1的低電解質/硫比下顯示出6.6 mAh cm?2高面積容量，以及良好的循環穩定性。這項工作為HEOs對實際鋰硫電池的雙向催化作用提供了基礎理解。相關研究成果以“High-entropy perovskite oxide nanofibers as efficient bidirectional electrocatalyst of liquid-solid conversion processes in lithium-sulfur batteries”為題在Nano Energy上發表。

 

三、【核心創新點】

√通過靜電紡絲煅燒方法制備的高熵鈣鈦礦氧化物La0.8Sr0.2（Cr0.2Mn0.2Fe0.2Co0.2Ni0.2）O3（HE-LSMO）納米纖維可以作為可溶性多硫化物和不溶性Li2S之間液固轉化過程的雙向電催化劑，硫負載量為8.4 mg cm?2的S/HE-LSMO正極在5.3μL mg?1的低電解質/硫比下顯示出6.6 mAh cm?2高面積容量，以及良好的循環穩定性。

 

?四、【數據概覽】

圖1（a-c）鈣鈦礦氧化物的高熵設計和原子占有，以及（d）高熵氧化物納米纖維和硫基復合材料的制備過程示意圖。? 2023?Nankai University

圖2結構特征。（a） XRD圖譜，（b）高熵結構中（110）面的原子占據示意圖，（c）HE-LSMO納米纖維的SEM圖像，（d-f）TEM圖像。（g） SEM圖像和（h）S/HE-LSMO復合物的TEM圖像和EDS元素圖譜（比例尺：200nm）。? 2023?Nankai University

圖3? 電化學性能評估。（a） 速率能力，（b）放電電荷分布，（c）不同c速率下的極化差異，（d-e）S/HE-LSMO、S/HE-LMO和S/LMO復合材料在（d）0.2C和（e）1C下的循環穩定性。? 2023?Nankai University

圖4 Li2S6與宿主之間的化學相互作用。Li2S6在（a）LMO、（b）HE-LMO和（c）HE-LSMO上的穩定構型的DFT結果。原始HE-LSMO在吸收Li2S6之前和之后的XPS結果：（d）Mn2p、（e）Fe2p和（f）O1s。? 2023?Nankai University

圖5 動力學表征。（a） 掃描速率為0.1 mV s?1時的CV曲線。作為（b）峰值R1、（c）峰值R2和（d）峰值O1的掃描速率的平方的函數的峰值電流的圖。由（e）第二還原峰和（f）氧化峰導出的塔菲爾圖。? 2023?Nankai University

圖6 Li2S在不同氧化物表面上的成核和溶解。（a-c）Li2S8溶液在2.05V下的恒電位放電曲線，以及（d-f）在2.40V下對（a，d）LMO、（b，e）HE-LMO和（c，f）HE-LSMO的恒電位充電曲線。? 2023?Nankai University

 

五、【成果啟示】

這項工作證明高熵氧化物納米纖維是一種有效的雙向電催化劑，可以加速硫陰極的還原和氧化。所制備的La0.8Sr0.2(Cr0.2Mn0.2Fe0.2Co0.2Ni) O3納米纖維表現出獨特的多孔纖維形態，能夠與硫充分接觸并具有良好的電荷轉移能力。多金屬元素在單一鈣鈦礦相中的限制導致了高組態熵，這為調節多硫化物吸附性能提供了不同的活性位點。動力學測試表明，HEO納米纖維在促進固體硫、可溶性LiPS和固體Li2S之間的轉化方面具有雙向催化作用。因此，基于HEO納米纖維的硫陰極顯示出高比容量、顯著的倍率性能和良好的循環穩定性。這項工作提供了一種熵驅動策略，為實用的鋰硫電池開發高效的雙向電催化劑。

 

原文詳情：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522011156

本文由圖圖供稿

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