张会刚、朱庆山等在锂硫催化剂结构调控与设计方面取得新进展

rongshuxia

高效的硫正极催化剂可加速多硫离子转化并抑制穿梭效应，对改善锂硫电池性能起着重要作用。过程工程所资源化工与能源材料研究部朱庆山研究员团队从理论上总结了六方相砷化镍（NiAs）型到正交相磷化锰（MnP）型结构转变所引起的电子结构变化，及其对硫正极催化剂活性的影响规律。在此基础上，通过调整配位结构进一步优化金属d轨道与多硫离子的成键作用，实现对锂硫催化剂的精确设计。相关工作于1月30日发表在ACS Nano上（DOI：10.1021/acsnano.2c12436）。
　　锂硫电池因其超高的理论比容量（1675 mAh g-1）和能量密度（2600 Wh kg-1），被认为是下一代储能体系的有力竞争者之一。然而，中间产物多硫离子的溶解扩散导致锂硫电池容量快速衰减，是制约其发展的主要因素，亟需开发有效的催化剂。但对催化活性位点以及催化机理认识的不足却阻碍了硫正极催化剂的设计。
　　NiAs和MnP均是常用的硫正极催化剂构型，研究团队发现，相比于NiAs型，MnP型的阳离子在垂直于c轴的平面上发生位移后，会使两个共边八面体的中心间距缩短，金属-金属键增强。同时，电子结构随配位环境发生相应变化，金属d轨道的上移或下移将直接影响催化剂和多硫离子的成键作用。基于上述规律，通过掺杂硫原子进一步扭曲[CoP6]八面体，使中心阳离子发生偏移，导致dz2轨道下移和dxz/dyz轨道上移，增强与多硫离子的成键作用。面向实用化的高负载锂硫电池，将高效的硫正极催化剂和单质硫电纺封装在多孔碳纳米纤维内部，形成链状结构的纳米反应器，限域多硫离子的转化反应并进行有效催化，表现出优异的电化学性能。

基于NiAs型和MnP型催化剂的结构调控示意图

　　沈子涵博士为论文第一作者，张会刚研究员及朱庆山研究员为通讯作者。该工作得到了科技部重点研发大科学装置前沿研究专项（2020YFA0406104），国家自然科学基金面上项目（22075131）和多相复杂系统国家重点实验室（No. MPCS-2021-A）的支持。
　　论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.2c12436
        文章来源：过程所
       朱庆山,1969年5月生，工学博士，中国科学院过程工程研究所研究员，博士生导师，中国科学院“百人计划”（2001年）、科技部“中青年科技创新领军人才”（2014年）、国家百千万人才工程（2014年）和中组部“万人计划”（2016年）入选者，2013年获得国家杰出青年基金，现任中国科学院过程工程研究所副所长。主要从事矿产资源高效利用、流化床反应器放大规律、流态化过程强化、纳微粉体结构调控与规模化制备、全陶瓷牙科材料等方面的研究工作。在国际主流学术期刊发表SCI论文100多篇，SCI他引1900多次；国内学术期刊发表论文50多篇，申请中国发明专利59项，其中33项已授权，申请国际专利11项。
　　兼任中国颗粒学会副理事长，中国颗粒学会流态化专业委员会主任，中国化工学会储能工程专业委员会主任，钒钛资源综合利用产业技术创新战略联盟副秘书长，四川钒钛产业技术研究院专家委员会主任，四川省攀枝花市决策咨询委员会专家等职。担任Particuology，Journal of Crystallization Physics and Chemisty 及 International Review of Chemical Engineering 编委，《过程工程学报》和《中国粉体技术》副主编，《钢铁钒钛》编委。2008年获中国颗粒学会第五届青年颗粒学奖，2012年获中国石油与化学工业联合会科技进步一等奖。主持完成了千吨级多钒酸铵流化床还原、10万吨难选铁矿流态化磁化焙烧和20万吨软锰矿流态化还原产业化示范项目3项，完成万吨级攀枝花钛精矿流态化氧化-流态化还原焙烧和千吨级钒钛磁铁矿直接还原-熔分中试项目2项。