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[转载]华南理工徐建铁&上海理工窦玉海Carbon Energy：单原子钨掺杂Co3O4纳米片用于增强锂硫电池的电化学动力学

已有 1386 次阅读 2023-2-17 14:43 |系统分类:论文交流|文章来源:转载

Single-atomic tungsten-doped Co₃O₄ nanosheets for enhanced electrochemical kinetics in lithium–sulfur batteries

Sangni Wang, Riming Hu, Ding Yuan, Lei Zhang, Chao Wu, Tianyi Ma, Wei Yan, Rui Wang, Liang Liu, Xuchuan Jiang, Hua Kun Liu, Shi Xue Dou, Yuhai Dou*, Jiantie Xu*

Carbon Energy

DOI: 10.1002/cey2.329

研究背景

锂硫电池（LSBs）具有较高的理论比容量（1675 mAh g^-1）, 被认为是最具潜力的下一代高能量密度电池体系。然而，硫单质及放电产物硫化锂的绝缘性、多硫化物的“穿梭效应”、缓慢的转化反应动力学等问题导致活性材料利用率低和高电流循环稳定性差，严重阻碍了LSBs的商业化进程。为此，研究者开发了大量的过渡金属氧化物（TMOs）催化剂来加速硫氧化还原反应动力学过程，从根本上解决穿梭效应。然而，TMOs固有的半导体性质和活性位点不足在很大程度上限制了其在LSBs中的催化应用。金属单原子掺杂是调节催化剂本征电子结构提升催化活性的有效策略。近年来，高价金属钨（W）由于其较多的外层空轨道，具有调控过渡金属电子结构的特性从而提高TMOs的催化活性，引起人们的广泛关注。迄今为止，关于单原子W掺杂TMOs作为催化添加剂对LSBs正极储锂性能影响的研究却鲜有报道。

成果介绍

华南理工大学徐建铁教授联合上海理工大学窦玉海教授制备了一种单原子W掺杂的Co₃O₄（W_0.02-Co₃O₄）催化剂并将其作为硫正极添加剂以增强多硫化物转化动力学，从而显著提高LSBs的电化学性能。该成果以“Single-atomic tungsten-doped Co₃O₄ nanosheets for enhanced electrochemical kinetics in lithium-sulfur batteries”为题发表在Carbon Energy上。华南理工大学博士研究生王桑妮为本文第一作者。

研究亮点

1. 通过自组装水热法和煅烧处理工艺，成功制备了单原子W掺杂的Co₃O₄ 超薄纳米片，并将其作为正极添加剂用于高性能LSBs的研究。

2. DFT计算和实验研究表明，W原子掺杂到Co₃O₄ 晶格中可以优化催化剂的电子结构，从而提高催化多硫化物转化的催化活性。

图文解析

图1（A）W_0.02-Co₃O₄的合成过程示意图。（B）W_0.02-Co₃O₄ 的SEM 图像。（C）W_0.02-Co₃O₄的HAADF-HRSTEM图像，插图为对应的FFT图案（上）和横截面厚度（下）。（D）W_0.02-Co₃O₄中Co、W 和O 的元素分布图。（E, F）Co₃O₄ 和W_0.02-Co₃O₄ 的HAADF-HRSTEM图像选定区域获得的原子强度谱图。

图 2（A）Co₃O₄ 和W_0.02-Co₃O₄的 XRD 图谱和（B）拉曼光谱。（C）Co 2p，（D） W 4f 和（E） O 1s 高分辨率XPS光谱。（F）不同掺杂构型的W 掺杂Co₃O₄的晶体结构。（G）W 箔、WO₃和W_0.02-Co₃O₄ 的W L₃边缘XANES 光谱以及（H）K²-权重EXAFS光谱的W L₃边缘傅里叶变换图。（I）Co₃O₄ 和W_0.02-Co₃O₄的Co L 边缘XANES光谱。

图3（A） S、Co₃O₄/S 和 W_0.02-Co₃O₄/S 在 0.1 mV s^-1 时的 CV 曲线。（B）W_0.02-Co₃O₄/S的 CV 图。（C）S、Co₃O₄/S 和 W_0.02-Co₃O₄/S 的充放电曲线和（D）倍率性能。（E）W_0.02-Co₃O₄/S 在不同倍率下的充放电曲线。（F）S、Co₃O₄/S 和 W_0.02-Co₃O₄/S 在1C 时的长期循环稳定性。（G）高载硫量的W_0.02-Co₃O₄/S 在0.1C 下的循环性能。

图4（A）Li₂S₄吸附实验的光学照片。（B）W_0.02-Co₃O₄吸附前后的Co 2P高分辨率XPS光谱。（C）Co₃O₄和W_x-Co₃O₄在（111）晶面处与不同硫物种的吸附能。（D）对称电池的CV曲线和（E）电化学阻抗谱。（F）在2.05 V下，Li2S在Co₃O₄和W_0.02-Co₃O₄电极上成核的恒电位放电曲线。（G）Co₃O₄ 和W_0.02-Co₃O₄态密度示意图。（H）Co₃O₄和W_x-Co₃O₄（111）晶面上多硫化物还原过程的能量分布和相应的几何构型。