室温钠硫(RT Na-S)电池具有高能量密度和低成本的优点,被认为是有前途的下一代电化学储能系统。然而,由于反应动力学迟缓,多硫化钠(NaPSs)的穿梭效应严重阻碍了其实际可行性。引入合适的催化剂来加速NaPSs的转化是抑制穿梭效应最常用的策略,传统的催化方法通常希望避免催化剂在深度放电时的不可逆相变。
在此,中南大学侯红帅团队利用MoS2催化剂本征结构可调节性,创新性地提出了一种电压调制策略。即在首次充放电过程中原位生成痕量Mo单原子(MoSAC),通过自重构形成高活性的催化相(MoS2/MoSAC)。
理论计算表明,MoSAC的加入调节了Mod带中心的电子结构,不仅有效促进了d-p轨道的杂化,而且通过成键跃迁加速了催化中间体的解吸,动态单原子协同催化机制增强了金属活性位点与NaPSs之间的吸附响应,显著改善了硫氧化还原反应(SRR)。与MoS2/CF@S电池相比,MoS2/MoSAC/CF@S电池在0.2 A g-1下的初始容量提高了46.58%。
图1. MoS2/CF@S和MoS2/MoSAC/CF@S的电化学性能
总之,该工作通过电化学重构构建了一种新型MoS2/MoSAC复合催化剂。具体而言,通过调节电压,MoS2表现出动态的电化学重建特征,同时观察到高度分散的Mo单原子的原位溶剂化浸出。一系列原位和非原位表征阐明了重构过程,最终形成了真正活性催化相(MoS2/MoSAC/CF)。
DFT计算表明,该种协同重构增强了Na2S6中Mo的d轨道和S的p轨道之间的重叠和成键跃迁,促进了对NaPSs的强响应和吸附,从而对电化学性能产生了重大影响。
基于此,当电流密度为0.2 A g-1时,组装后的室温钠硫电池容量增加了237.8 mAh g-1。因此,该工作不仅引入了动态重构机制来探索催化活性物质的原位演化,而且运用能带理论工程将宏观催化活性与微观特征联系起来进而为室温钠硫电池的催化性质提供了新见解。
图2. 机制探究
Origin of the High Catalytic Activity of MoS2 in Na–S Batteries: Electrochemically Reconstructed Mo Single Atoms, Journal of the American Chemical Society 2024 DOI: 10.1021/jacs.4c13400