【研究背景】
锂硫（Li-S）电池通过硫和锂之间的化学反应储能，放电时硫逐步转化为硫化锂，充电时逆转。锂硫电池因其超高理论比容量（1675 mAh g-1）和能量密度（2600 Wh kg-1），被视为下一代储能系统的理想候选，有望替代传统锂离子电池。然而，其商业化仍面临以下关键挑战：首先，硫还原反应（SRR）过程中，最终产物Li2S导电性差，反应动力学缓慢，导致严重的电极极化和体积膨胀。其次，多硫化锂（LiPSs）的溶解和扩散引发“穿梭效应”，造成活性物质损失和容量快速衰减。
【工作简介】
近日，武汉理工大学丁瑶课题组等人利用一步磁辅助CVD合成了负载在多壁碳纳米管上的MoSe2/MoS2@CNTs隔膜修饰材料，显著提高了锂硫电池的循环性能和充放电比容量，降低了极化电压，在高倍率电流下展现出良好的电化学性能。并且通过原位XRD、Raman以及UV-vis探究了其促进锂硫电池新能提升的机理。其设计的摩尔超晶格异质结材料不仅可以较大程度降低SRR的反应势能壁垒，还能吸附多硫化物从而抑制“穿梭“效应。基于此，首次探究了二维莫尔超晶格对锂硫电池吸附和催化作用的影响。该文章发表在国际顶级期刊ACS Nano上。武汉理工大学丁瑶、爱尔兰都柏林圣三一大学Guo Xuyun、香港科技大学Mohsen Tamtaji等人为本文通讯作者。
【内容表述】
为了提高锂硫电池的循环稳定性和安全性能，催化材料尤为关键。到目前为止，具有单一组分的催化剂并不能很好地兼顾两个问题。构建异质结工程，由两种或更多种组分构成的催化剂，由于它们对Li2Sn的吸附作用和SRR过程中的催化转化之间的“1 + 1 > 2”协同效应而引起了广泛的关注。本文设计的MoSe2/MoS2@CNTs的隔膜修饰材料有利于可溶多硫化物的吸附进而抑制其从阴极区穿梭到阳极区，同时降低了SRR反应进程的势能壁垒，从而加快反应进程。最终组装的电池在0.2 C的倍率下达到了1225 mAh g-1的初次放电比容量，在5 C的高倍率电流密度下放电比容量仍然达到870 mAh g-1并且回到正常倍率时循环仍保持稳定，在1 C的长循环中单圈的容量衰减仅为0.063%。
图1. 合成MoSe2/MoS2@CNTs的磁辅助CVD方法和表征测试。（a）合成中磁辅助方法的示意图。（B）MoSe2/MoS2@CNTs和MoS2@CNTs的XRD光谱。（c）MoSe2/MoS2@CNTs和MoS2@CNTs的拉曼光谱。（d）MoSe2/MoS2@CNTs中MoSe2的放大带。（e-g）Mo 3d，S 2 p，和Se 3d特征峰在MoSe2/MoS2@CNTs、MoSe2@CNTs和MoS2@CNTs中。
图2. 具有2D超晶格界面的MoSe2/MoS2@CNTs异质结构的原子尺度观察。（a）MoSe2/MoS2@CNTs异质结构的HAADF-STEM图像和相应的元素映射。（b）MoSe2/MoS2@CNTs异质结构的AC-ABF-STEM图像。插图：SAED图案。（c）AC-HAADF-STEM图像和包裹在CNT周围的MoSe2/MoS2的堆叠模式。（d）HAADF-STEM图像和所选区域的相应元素映射，以及C（K-边）、S（L2，3-边）和Mo（M4，5-边）的EELS光谱和从沿着图2d中红色虚线正方形的不同点获得的EDS光谱。（e）具有2D超晶格界面的MoSe2/MoS2@CNTs“管中管”异质结构的示意图。
图3. MoSe2/MoS2@CNTs异质结构的LiPS吸附和转化动力学。（a）MoSe2/MoS2@CNTs、MoSe2@CNTs和MoS2@CNTs的Li2S6吸附测试的紫外-可见光谱。（b）具有MoSe2/MoS2@CNTs/S、MoSe2@CNTs/S和MoS2@CNTs/S电极的Li2S6对称电池在10 mV s-1下的CV曲线。（c，d）Li2S在MoSe2/MoS2@CNTs/S、MoSe2@CNTs/S上的恒电位成核测试结果，（e）电解液接触PP和MoSe2/MoS2@CNTs-PP 30秒后的接触角。（f）裸PP和MoSe2/MoS2@CNTs-PP的LiPSs吸附测试结果（g）在0.1 mV s-1下MoSe2/MoS2@CNTs-PP、MoSe2@CNTs-PP、MoS2@CNTs-PP和PP的CV曲线。（h，i）MoSe2/MoS2@CNTs-PP、MoSe2@CNTs-PP、MoS2@CNTs-PP和PP的（g）中峰2, 3的相应塔菲尔图。
图4. 具有MoSe2/MoS2@CNTs-PP隔膜的Li-S电池的电化学性能。（a）MoSe2/MoS2@CNTs-PP、MoSe2@CNTs-PP、MoS2@CNTs-PP和PP的EIS曲线。（b）不同隔膜在0.2 C下的GCD曲线。（c）具有不同隔膜的Li-S电池的极化电位和Q2/Q1比。（d）不同隔膜在0.2、0.5、1、2、3和5 C下的倍率性能。（e）以MoSe2/MoS2@CNTs-PP作为隔膜在不同电流密度下的充电/放电曲线。（f）以MoSe2/MoS2@CNTs-PP作为隔膜在0.2 C下的GITT曲线。（g，k）具有PP和MoSe2/MoS2@CNTs-PP隔板的Li对称电池。（h）在0.2 C下测量具有不同隔板的Li-S电池的循环性能。（i）在0.1 C下具有高硫负载的MoSe2/MoS2@CNTs-PP阴极的循环性能。（j）在1 C下MoSe2/MoS2@CNTs-PP的长循环性能。
图5. 具有MoSe2/MoS2@CNTs-PP隔膜的Li-S电池中SRR动力学的原位表征。（a, d）原位XRD测量期间的GCD曲线（0.2 C）和具有MoSe2/MoS2@CNTs-PP（a）和PP（d）隔膜的XRD图案的等高线图（b, e）具有MoSe2/MoS2@CNTs-PP（b）和PP（e）隔膜的不同电压状态下的原位XRD图案。（c, f）具有MoSe2/MoS2@CNTs-PP（c）和PP（f）隔膜的Li2S（111）和α-S8（222）的峰强度变化随电势变化的趋势图。（g）用于原位拉曼测量的组装电池的示意图。（h, i）显示了MoSe2/MoS2@CNTs-PP（h）和PP（i）隔膜的原位拉曼结果的2D等高线图。
图6. MoSe2/MoS2@CNTs催化剂用于硫氧化还原反应的理论研究和示意图。（a）弯曲MoS2、MoSe2和MoSe2/MoS2异质结构的优化* Li2S6吸附模型。(b)在费米能级附近弯曲的MoS2、MoSe2和MoSe2/MoS2异质结构计算的DOS。（c）在弯曲的MoS2、MoSe2和MoSe2/MoS2异质结构上LiPS还原的吉布斯自由能分布。（d）在平坦的MoS2、MoSe2和具有莫尔图案MoSe2/MoS2异质结构上LiPS还原的吉布斯自由能分布。（e）不同隔膜对LiPS的吸附和催化机制的示意图。
核心结论
该研究开发了一种负载在多壁碳纳米管上的MoSe2/MoS2莫尔超晶格（晶格失配仅1.9%）的"管中管"结构催化剂，并负载在聚丙烯隔膜上作为隔膜修饰材料。通过二维超晶格界面协同优化多硫化锂的吸附与催化转化能力，显著提升了锂硫电池性能：在0.2 C下实现1225 mAh g-1的高放电容量，5 C下仍保持870 mAh g-1，并1 C的倍率下实现1000次循环每圈仅0.063%的超低容量衰减。该设计为锂硫电池及其他储能系统（如Zn-I2电池）的高效催化剂开发提供了新思路。
【文献详情】
Chenzhi Ding, Yao Ding*, Kao Wang, Zhaobo Zheng, Fang Liu, Xuyun Guo*, Mohsen Tamtaji*, Zhengtang Luo, “Regulating the Polysulfide Behavior by a Large-Scale Two-Dimensional Superlattice Interface in Li-S Chemistry”,ACS nano, 2025, https://doi.org/10.1021/acsnano.5c07372
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