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[转载]郑州大学张鹏Carbon Energy: 精准调控MoSe2电催化剂结构,显著提升Li-S电池性能

已有 710 次阅读 2023-1-8 18:44 |系统分类:论文交流|文章来源:转载

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Li intercalation in an MoSe2 electrocatalyst: In situ observation and modulation of its precisely controllable phase engineering for a high-performance flexible Li-S battery

Yunke Wang, Yige Zhao, Kangli Liu, Shaobin Wang, Neng Li, Guosheng Shao, Feng Wang, Peng Zhang*.

Carbon Energy

DOI: 10.1002/cey2.255

作为一种典型的金属硒化物,具有二维层状结构的MoSe2催化剂能够有效应用于锂-硫电池(LSBs)。但由于Mo原子的d-带变化,不同相(1T,2H,3R)的电子性质差异很大。遗憾的是,相对稳定的2H-相MoSe2活性中心不足,导电性较差,限制了其在高电流密度下的反应动力学。最近,有研究表明由2H-相转变为1T-相的MoSe2具有较高的催化活性中心,能够作为一种高效的电催化剂应用于LSBs。这是因为1T-相MoSe2比2H-相MoSe2更有助于提升电子转移。此外,1T-相MoSe2在多硫化锂(LiPS)的固定和转化方面也具有较高的局域电子密度。然而,由于其亚稳态性质,用传统的化学方法难以获得高纯度的1T-相MoSe2

幸运的是,由于MoSe2本身二维层之间具有弱的范德华力,使得离子嵌入可以改变Mo原子d轨道的电子结构,从而很容易地控制MoSe2的相结构,并且原位电化学锂化也能够增强多硫化物的亲和性。但是离子嵌入与相结构之间的依赖关系仍不清晰。因此,了解离子嵌入过程中从2H-相MoSe2到1T-相MoSe2的完全相变临界点以获得高纯度的1T-相MoSe2是非常重要的。通过材料基因组工程的理论指导更有利于找到相变点。因此,合理设计一种精确控制层间离子嵌入的方法是实现可控相位调制的有效策略,但这是一个挑战。

在此,郑州大学张鹏教授课题组首先通过理论计算预测了1T-相MoSe2的完全相变电压,然后通过电化学实验验证了这一结果。更重要的是,首次通过原位实验和调制方法提出了相工程中截止电压与相结构之间确定的函数关系,而这可以作为一种定律——通过调节截止电压来调节嵌入锂离子的数量,从而动态地控制相的演化。在上述定律的指导下,通过原位电化学嵌入转化法在自支撑碳纤维(CNFs)表面成功制备出了1T-相MoSe2高活性柔性电催化剂。结合LiPS的快速转化动力学、强的多硫化物亲和力和广泛的电子转移路径等优点,所制备的CNFs/1T-MoSe2具有很高的电催化活性。轻质CNFs取代了传统的铝集流体,在质量能量密度方面具有很强的竞争优势,而纳米纤维所带来的柔性也使其在柔性器件方面具有一定优势。这一研究工作为设计高效电催化剂提供了有效策略,并可进一步拓展到能源存储和转换中的类似应用。该文章以“Li intercalation in an MoSe2 electrocatalyst: In situ observation and modulation of its precisely controllable phase engineering for a high-performance flexible Li-S battery”为题发表在Carbon Energy上。


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图1. 形貌分析和结构表征 (A)合成示意图、(B)CNFs/2H-MoSe2和(E)CNFs/1T-MoSe2的SEM图像、(C)CNFs/2H-MoSe2和(F)CNFs/1T-MoSe2纳米纤维的TEM图像、(D,G)2H-MoSe2和1T-MoSe2纳米片的HRTEM图像、(H)CNF/1T-MoSe2的EDS映射、(I)CNFs/1T-MoSe2和CNFs/2H-MoSe2的XRD衍射图谱和拉曼光谱


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图2. 扣式电池的电化学性能 (A)CNF/1T-MoSe2在不同周期(扫描速率:0.1 mV S-1)的CV曲线、(B)EIS曲线和(C)不同电极的倍率性容量、(D)不同电流密度下CNF/1T-MoSe2的GCD曲线、(E)不同阴极在1C下的长期循环、(F)在0.1 C电流下具有高硫载量的CNF/1T-MoSe2的循环性能、(G)高性能LSBs与其他已发表数据的比较


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图3. 应用前景评价 (A)CNF/2H-MoSe2纳米纤维的柔性显示、(B)CNF/2H-MoSe2纳米纤维弯曲前后的轮廓图像、(C)CNF/2H-MoSe2的弯曲疲劳试验、(D)CNF/1T-MoSe2弯曲前后的CV曲线、(E)软包电池示意图、(F)当电流密度为0.02 C时,使用CNF/1T-MoSe2阴极的软包电池循环性能


总之,作者通过在MoSe2中原位嵌入锂,建立了电压与MoSe2相变产物之间的关系,并证实了一种简单的构建高度分散的1T-MoSe2纳米片修饰CNFs(CNFs/1T-MoSe2)作为LSBs的硫载体的方法。自支撑的CNFs/1T-MoSe2电极具有丰富的催化活性中心和优良的电导率,有助于快速反应动力学。具体来说,高可逆容量是由于高催化活性加速了多硫化物的转化,从而提高了硫的利用率。由于1T相和碳纤维组成的高导电网络结构,提高了电子迁移速率,缩短了传质距离,从而提高了传质性能。此外,理论和实验研究表明,原位1T-MoSe2策略比原始的2H-MoSe2策略能更有效地捕获LiPS,使得被金属相硒化钼覆盖的纤维有利于硫和硫化锂在纤维表面的均匀分散,进一步说明了该策略抑制穿梭效应的优越性。因此,本工作所采用的策略不仅展示了LSBs的高性能,而且提供了对硒化钼原位相变行为及其催化动力学的透彻理解。



相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy,点击“阅读原文”查看论文

论文标题:

Li intercalation in an MoSe2 electrocatalyst: In situ observation and modulation of its precisely controllable phase engineering for a high-performance flexible Li-S battery

论文网址:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.255

DOI:10.1002/cey2.255



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