導(dǎo)讀

      在鋰硫電池中，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)多硫化物的有效電催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)管理是構(gòu)筑高性能鋰硫電池的關(guān)鍵?；谝陨犀F(xiàn)狀，BGI-蘇大協(xié)同創(chuàng)新中心的孫靖宇教授團(tuán)隊(duì)在ACS Nano期刊上發(fā)表題為“Defective VSe2-Graphene Heterostructures Enabling In Situ Electrocatalyst Evolution for Lithium?Sulfur Batteries”的論文。蘇州大學(xué)博士后慈海娜博士、蘇州大學(xué)博士生蔡京升、中國(guó)石油大學(xué)博士生馬昊為論文的共同第一作者孫靖宇教授和趙文副教授為通訊作者。

導(dǎo)師專訪

       鋰硫電池因其高的能量密度、低成本和環(huán)境友好等特性，作為新一代的儲(chǔ)能體系受到廣泛關(guān)注。然而，充放電過(guò)程中緩慢的氧化還原動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，以及中間產(chǎn)物多硫化物的穿梭效應(yīng)仍然限制了高性能鋰硫電池的商業(yè)化應(yīng)用。解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵之一是設(shè)計(jì)有效的正極材料，促進(jìn)鋰硫電池的原位電催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

基于此，我們課題組利用化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)，在碳布襯底上實(shí)現(xiàn)了二維過(guò)渡金屬硒化物（VSe2）-垂直石墨烯（VG）異質(zhì)結(jié)的可控構(gòu)筑，并直接作為鋰硫電池的正極宿主；利用VSe2存在的缺陷結(jié)構(gòu)可以有效促進(jìn)對(duì)多硫化物的吸附和轉(zhuǎn)化，以調(diào)節(jié)和改善鋰硫電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

圖1. 缺陷結(jié)構(gòu)VSe2-石墨烯異質(zhì)結(jié)用于高性能鋰硫電池正極材料

       具體而言，本文通過(guò)CVD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在碳布襯底上原位可控直接生長(zhǎng)VSe2-垂直石墨烯異質(zhì)結(jié)，作為高性能鋰硫電池的硫正極宿主材料。利用CVD技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)二維材料在目標(biāo)襯底上的直接生長(zhǎng)，并對(duì)二維材料的結(jié)晶質(zhì)量、均勻性和表面覆蓋度進(jìn)行有效調(diào)控，構(gòu)筑緊密的異質(zhì)結(jié)材料界面。這樣獲得的異質(zhì)結(jié)材料可以作為鋰硫電池的正極材料有效促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)。

      進(jìn)一步地，利用VSe2存在的缺陷結(jié)構(gòu)可以有效促進(jìn)多硫化物的吸附和轉(zhuǎn)化。這種具有缺陷結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)材料作為鋰硫電池正極可以實(shí)現(xiàn)好的倍率和循環(huán)穩(wěn)定性能（在5.0 C的電流密度下進(jìn)行800周循環(huán)后，每周的容量衰減率僅為0.039%），并實(shí)現(xiàn)在9.6 mg cm-2 高硫負(fù)載下的高面容量4.9 mAh cm?2。這種缺陷工程策略對(duì)高效硫宿主的設(shè)計(jì)具有重要意義。

背景簡(jiǎn)介

硫正極宿主

      對(duì)鋰硫電池而言，發(fā)展具有強(qiáng)的多硫化物吸附能力和快速氧化還原動(dòng)力學(xué)的正極硫宿主材料是構(gòu)建高性能鋰硫電池的關(guān)鍵。通常而言，單一的硫宿主材料并不能很好地滿足多硫化物吸附、催化轉(zhuǎn)化和電子傳輸?shù)鹊亩喾矫嫘枨?；通過(guò)設(shè)計(jì)將兩種材料進(jìn)行有效結(jié)合而獲得的異質(zhì)結(jié)材料，有望實(shí)現(xiàn)上述需求。

      值得注意的是，目前大部分異質(zhì)結(jié)材料主要通過(guò)濕化學(xué)法制備，可調(diào)控性差、均勻性差?；谖覀冋n題組在化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)二維材料的經(jīng)驗(yàn)，利用CVD技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在碳布襯底上二維過(guò)渡金屬硒化物（VSe2）-石墨烯異質(zhì)結(jié)的直接構(gòu)筑，探索異質(zhì)結(jié)材料在鋰硫電池中的作用機(jī)制，并通過(guò)缺陷結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高性能鋰硫電池的制備。

導(dǎo)師專訪

      通過(guò)化學(xué)氣相沉積技術(shù)，實(shí)現(xiàn)二維過(guò)渡金屬硒化物（VSe2）-石墨烯異質(zhì)結(jié)材料原位構(gòu)筑，并有效利用缺陷工程助力高性能鋰硫電池的原位電催化，能夠?qū)︿嚵螂姵卣龢O材料的合理設(shè)計(jì)提供有效借鑒。

核心內(nèi)容

      本文中，作者通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)，在碳布襯底上直接生長(zhǎng)獲得VSe2-垂直石墨烯（VG）異質(zhì)結(jié)，作為鋰硫電池多功能硫宿主材料，改善鋰硫電池的倍率和循環(huán)穩(wěn)定性（圖1）。

      與濕化學(xué)法相比，CVD技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)二維材料的可控、高品質(zhì)和均勻制備，獲得干凈、緊密的異質(zhì)結(jié)界面，實(shí)現(xiàn)多功能異質(zhì)結(jié)宿主材料的直接原位構(gòu)筑。作為硫宿主材料，在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中會(huì)誘導(dǎo)VSe2中的Se空位缺陷處發(fā)生硫化，進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)多硫化物的吸附和轉(zhuǎn)化。這種硫宿主正極材料可以同時(shí)滿足對(duì)多硫化物吸附、快速氧化還原反應(yīng)和高效電子傳輸?shù)鹊亩喾矫嫘枨?，從而?shí)現(xiàn)高倍率和循環(huán)穩(wěn)定性的鋰硫電池的構(gòu)筑。

      原位表征對(duì)VSe2-VG作為硫宿主正極處的氧化還原反應(yīng)進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，結(jié)合密度泛函理論模擬，對(duì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行合理解釋。揭示了VSe2的缺陷結(jié)構(gòu)（Se空位）對(duì)鋰硫電池中電催化和多硫化物的吸附轉(zhuǎn)化的作用機(jī)制，這項(xiàng)工作對(duì)硫宿主材料中異質(zhì)結(jié)界面構(gòu)筑和缺陷工程的設(shè)計(jì)提供了思路和借鑒。

第一作者專訪

1. 該研究的設(shè)計(jì)思路和靈感來(lái)源

      我們課題組前期在直接化學(xué)氣相沉積技術(shù)生長(zhǎng)石墨烯及二維材料方面做了大量的探索，根據(jù)這樣的研究基礎(chǔ)，我們通過(guò)CVD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在碳布上原位可控直接生長(zhǎng)VSe2-垂直石墨烯異質(zhì)結(jié)材料，用作鋰硫電池的硫宿主正極材料。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)關(guān)鍵作用：一是異質(zhì)結(jié)材料的原位高效構(gòu)筑，可以同時(shí)滿足鋰硫電池對(duì)硫宿主材料在多硫化物吸附、電子傳輸和電化學(xué)反應(yīng)等方面的多功能需求；二是利用金屬性VSe2的Se空位缺陷結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)多硫化物的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)調(diào)控。

2. 該實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)有哪些？ 

      異質(zhì)結(jié)材料的難點(diǎn)主要在于制備條件的調(diào)控，如何提高VSe2納米片的密度，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)形貌和結(jié)晶質(zhì)量、均勻性的調(diào)控。

3.該報(bào)道與其它類似報(bào)道最大的區(qū)別在哪里？

      過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔镆蚱鋬?yōu)異特性用于鋰硫電池宿主材料的研究有很多，但利用CVD技術(shù)原位構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)材料鮮有報(bào)道。同時(shí)我們通過(guò)引入缺陷結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多硫化物的強(qiáng)吸附和原位電催化。

特別地，利用CVD技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)潔凈、緊密異質(zhì)結(jié)界面的獲得，對(duì)二維材料的形貌和均勻性進(jìn)行有效調(diào)控。進(jìn)一步利用過(guò)渡金屬硒化物VSe2的缺陷結(jié)構(gòu)助力鋰硫電池電催化，目前鮮有研究涉及。

第一作者：

慈海娜，2014年6月本科畢業(yè)于蘭州大學(xué)，2019年6月博士畢業(yè)于北京大學(xué)。目前在蘇州大學(xué)從事博士后研究工作，合作導(dǎo)師為孫靖宇教授和劉忠范院士。主要從事石墨烯及其他二維材料的直接化學(xué)氣相沉積制備，以及高性能鋰硫電池的應(yīng)用研究。以第一作者發(fā)表論文在Advanced Materials、ACS Nano、Nano Research、科學(xué)通報(bào)等雜志；以共同第一作者發(fā)表論文在Angewandte Chemie International Edition、Journal of Energy Chemistry等雜志，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利四項(xiàng)。

文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05030

孫靖宇教授課題組鏈接:http://www.sunjingyulab.com