张会刚/朱庆山/惠俊峰ACS Nano：将钒掺入二硫化铌，获得更好的催化活性

尽管锂硫（Li-S）电池具有较高的比能量并有望成为下一代储能电池，但其存在多硫化物穿梭、氧化还原动力学缓慢和循环性差等问题。迫切需要催化剂来加速多硫化物的转化并抑制穿梭效应，然而，结构-活性关系的缺乏阻碍了高效催化剂的合理开发。

图1 催化剂设计概念说明

中国科学院过程工程研究所张会刚、朱庆山、西北大学惠俊峰等对Nb-V-S体系进行了研究，并提出了一种用于高效Li-S电池的V掺杂NbS₂（Nb₃VS₆）催化剂。具体而言，这项工作合成了VS₂、NbS₂和 Nb₃VS₆（NbV_1/3S₂），以破解它们在Li-S电池中催化活性的差异。经过严格的比较后，作者发现VS₂对多硫化物的吸附力略强于NbS₂，因而具有较高的催化活性。当在NbS₂板的层间位点中引入1/3V时，得到的 Nb₃VS₆与NbS₂和VS₂相比具有更优的催化活性。

图2 多硫化物与催化剂之间的催化与吸附

当采用Nb₃VS₆作为催化剂时，Li-S电池在0.1C和2C条件下分别产生了1541 mAh g^-1和1037 mAh g^-1的高容量，循环1000次后仍能保持73.2%的初始容量。理论建模表明，Nb₃VS₆的高催化活性可能是由[NbS₆]板之间的面内断开的[VS₆]八面体引起的。表面上[VS₆]八面体的亚配位S原子在基面上比[NbS₆]/[VS₆]多面体对多硫化物的吸附更强，导致高催化活性。因此，这种通过在二维板之间引入V而形成的中间化合物提供了一种制备高效Li−S催化剂的先进方法。

图3 Li-S电池性能

Vanadium Intercalation into Niobium Disulfide to Enhance the Catalytic Activity for Lithium–Sulfur Batteries. ACS Nano 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c02634

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