锂硫电池因其理论容量高、环保和成本低等优势，被认为最有前途的能源存储系统之一。然而，多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应和缓慢的反应动力学严重阻碍了锂硫电池的工业化发展。解决这些挑战的主要策略在于设计高效且耐久的双向催化剂。异质结材料作为最有前景的电催化剂候选者，有望推动高能量密度锂硫电池的发展。然而异质结催化剂活性及耐久性的进一步提高和异质结材料促进硫氧化还原动力学的详细功能机制仍不清楚。我院温鸣教授团队致力于破解该难题，利用氧桥偶联多孔碳负载CoTe2/Co纳米颗粒，开发了高暴露活性位点的对多硫化锂具有双向催化的异质结材料。此方法也为其它高效异质结催化材料的设计提供了新思路。相关研究成果“Oxygen Bridges of CoTe2/Co-O-NC Enhancing Adsorption-Catalysis of Polysulfide for Stable Lithium–Sulfur Batteries”近日在线发表于材料领域国际著名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。
研究团队开发了一种纳米结构的CoTe2/Co-O-NC电催化材料，以实现多硫化锂（LiPSs）的有效吸附和双向催化转化。研究结果表明，CoTe2/Co-O-NC中形成的氧桥（Co-O-C）不仅能有效地将钴的d带中心移至费米能级附近，从而增强对多硫化锂的吸附，还能增强CoTe2/Co异质结的内置电场，从而降低硫转化的能垒。在充放电过程中，显著降低了Li2S的沉积和解离能垒，明显提高了高活性催化剂的耐久性，并实现了快速的跨界面电荷转移。通过详细的结构表征发现，其中氧共价偶联的Co-O-C键在CoTe2/Co-O-NC中被作为了电子桥，电子发生了从Co转移到O，然后再转移到C的过程，确保了在O-NC、CoTe2/Co和电解质三相界面之间的超快速电荷转移和构建了纵横交错的多条电子传输通道。
电化学研究表明，CoTe2/Co-O-NC用作锂硫电池正极材料时，表现出高比容量（1498 mAh g-1@0.1C）和优异的循环稳定性（0.2 C下循环200次和0.5 C下循环500次后的容量衰减率分别为0.028%和0.046%）。组装的软包电池，在硫负载量为6.7 mg cm-2、E/S比为4 μL mg-1的苛刻条件下，可实现368 Wh kg-1的高能量密度，具有较好的商用潜能。原位XRD也证明了CoTe2/Co-O-NC可以加速硫的双向催化转化，实现LiPSs的快速“捕获-扩散-转化”。
通过实验结合理论计算证明，CoTe2/Co-O-NC中形成的氧桥不仅将钴的d带中心移至费米能级，增强了对LiPSs的吸附；而且增强了异质结的内置电场，降低了硫转化的能垒。此外，氧桥还削弱了CoTe2/Co-O-NC中与氧连接的金属Co与LiPSs中S之间的相互作用，从而减少了Co催化位点死硫的沉积，避免了催化剂毒化等副反应的发生，提高了催化剂使用的耐久性。
温鸣教授为该论文唯一通讯作者，博士研究生杨钊为论文第一作者。该研究工作得到了同济大学吴庆生教授、吴彤研究员和英国Northumbria University傅永庆教授的支持，同时该工作得到了国家自然科学基金面上项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202417834
