中南大学纪效波、侯红帅教授在JACS上发表钠硫电池新进展

来源：中南大学 2024-11-25

导读：近日，中南大学化学化工学院纪效波、侯红帅教授团队在化学类顶级期刊《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)发表了题为“钠硫电池中MoS2高催化活性的来源：电化学重构的Mo单原子(Origin of high catalytic activity of MoS2 in Na-S batteries: electrochemically reconstructed Mo single atoms)”的研究论文。中南大学化学化工学院为唯一单位，侯红帅教授为通讯作者，2022级博士生钟雪为第一作者。

为了应对气候变化，全球正逐步向清洁能源转型。风能和太阳能等可再生能源的装机量持续增长，但这些能源具有不稳定、随机性和间歇性的特点，对电网的频率控制提出了更高的要求。储能技术可以平衡电力系统的供需，特别是在可再生能源发电占比提高的情况下，储能显得尤为重要。钠硫电池具有能量密度高、资源丰富、成本低等特点，被认为是很有竞争力的电化学储能系统。当前商业化的是高温钠硫电池，电池需在300°C的工作温度下，通过液态硫和金属钠之间的化学反应来存储和释放能量，存在较大的安全隐患。在此背景下，室温钠硫电池展现出了巨大的发展潜力，其在室温条件下运行，不仅显著降低了系统的成本，还规避了高温操作带来的安全风险。高温钠硫电池放电终产物为Na2S3，理论能量密度约为760 Wh/kg，而室温钠硫电池放电产物为Na2S，具有更高的理论能量密度（1274 Wh/kg）。然而，由于室温钠硫电池在充放电循环中转化动力学迟缓，导致正极产生的易溶性多硫化钠（NaPSs）未能迅速转化为不溶性Na2S，造成NaPSs溶于电解液后穿过隔膜与金属钠负极直接接触，即“穿梭效应”，引发不良反应，导致硫正极不可逆损失，电池容量大幅衰减，限制了其实际应用。

引入合适的催化剂，加速NaPSs向Na2S的转化是抑制“穿梭效应”的常用策略。在本研究中，通过碳点组装制备了多孔碳纤维，以其为载体构建了碳纤维/硫/硫化钼复合正极材料，发现了在深度充放电过程中硫化钼（MoS2）催化剂会原位转化形成痕量Mo单原子（MoSAC），进而自重构形成高活性催化相（MoS2/MoSAC）。MoSAC 的形成调控了Mo d带中心的电子结构，不仅有效促进了 d-p 轨道杂化，还通过键合转变加速了催化中间体的解吸，动态单原子协同催化机制增强了金属活性位点与 NaPSs 之间的吸附响应，加速了硫氧化还原反应（SRR），显著提升了室温钠硫电池电化学性能。本研究为室温钠硫电池中MoS2催化剂的反应机制提供了新见解。

据悉，该研究获得了国家自然科学基金项目和中南大学研究生创新项目等基金的支持。

MoS2催化剂结构示意图

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中南大学纪效波、侯红帅教授在JACS上发表钠硫电池新进展

来源：中南大学 2024-11-25