本技术涉及纳米材料制备和催化剂技术,特别是一种硫空位增强的三元异质结构碳纸催化剂及其制备方法和应用。该方法包括将四水钼酸铵和硫脲溶解于去离子水中,形成溶液,随后通过一系列步骤制备出具有硫空位的三元异质结构中间层,该结构能有效提升催化剂性能。
背景技术
随着便携式电子设备和电动汽车在日常生活中的日益普及,锂离子电池有限的理论能量密度难以满足快速发展的社会需求。锂硫电池(Lithium-Sulfur batteries,LSBs)具有较高的理论能量密度和容量,被认为是很有前途的下一代储能系统。与锂离子电池相比,LSBs具有成本低、环境可持续和资源丰富等优势。然而,硫及其放电产物的导电性较差,导致硫的利用率较低;此外,可溶性多硫化锂(lithium polysulfides,LiPSs)引起的穿梭效应和缓慢的硫氧化还原动力学导致严重的容量衰减和较低的库仑效率,阻碍了LSBs的实际应用。
为解决这些问题,研究人员开发了先进的催化材料,包括掺杂杂原子的碳材料、过渡金属和金属氧化物/硫化物及其复合材料,旨在吸附多硫化物并降低多硫化物的反应障碍。虽然已经取得了一些进展,但整合各组分的个别功能(包括丰富的催化活性位点、增强的化学吸附性、高导电性和高Li+
扩散性)仍具有挑战性,导致催化活性未达到最佳状态。特别是在高硫负载和低电解质硫比的条件下,仍然很难有效缓解LiPSs的穿梭效应,改善缓慢的氧化还原反应动力学。
最近,异质结构的出现有效地克服了这些挑战。研究表明,由具有不同功函数的纳米材料形成的异质结构能够产生自发的内置电场(built-in electric fiel d,BIEF),从而增强电子/离子传输和表面反应动力学。此外,异质结构还能通过各组分的协同增强效应,全面改善电子传输、氧化还原动力学和锂离子吸附。
一方面,无缺陷晶体结构中稳定的电荷分布限制了LiPSs与亲锂表面之间的极性相互作用。在金属硫化物中引入硫空位可打破电荷平衡,从而改善电荷转移动力学和催化活性。硫空位周围的活性电子有助于与LiPSs发生化学吸附,从而形成牢固的共价键。此外,Sn
2-
的迁移率决定了电子/离子的移动,而电子/离子的移动会受到正负电荷的影响而发生相对位移。
某些异质结构催化剂在硫的还原和氧化反应中催化活性较低,导致反应效率不高。异质结构的导电性可能不足,影响电子传导,进而降低电池的整体性能。在充放电过程中,部分催化剂可能会发生降解或失活,影响电池的循环寿命。此外,异质结构中不同材料之间的界面可能存在不稳定性,导致催化性能下降。制备高性能的异质结构催化剂通常需要复杂的合成步骤,增加了生产成本和难度。
实现思路