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計(jì)算文獻(xiàn)導(dǎo)讀（十六）：Adv. Mater. | 選擇性催化抑制Li-S電池穿梭效應(yīng)的DFT計(jì)算分析

來源：科學(xué)10分鐘時(shí)間：2022-01-11 21:28:03 瀏覽：2859次

研究背景

可溶性含鋰多硫化合物（LiPSs，也被稱作Li₂S_n, 4 ≤ n ≤ 8）在電極間穿梭，將導(dǎo)致電池容量嚴(yán)重下降，以及電解質(zhì)的過多使用等問題，嚴(yán)重制約了Li-S電池的實(shí)際應(yīng)用。目前，催化作用對(duì)Li-S電池中穿梭效應(yīng)的影響被廣泛討論，并被視作可以加速Li₂S_n轉(zhuǎn)化為不可溶的短鏈硫化物（如Li₂S），從而成為解決穿梭效應(yīng)的有效策略。硫化物、氮化物、磷化物及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)被廣泛用作該類催化劑。

研究結(jié)果

近日，來自天津大學(xué)化工學(xué)院楊全紅教授團(tuán)隊(duì)的研究人員，設(shè)計(jì)出了新的選擇性催化劑，作為連續(xù)“固-液-固”硫氧化還原反應(yīng)的調(diào)控手段。銦(In)基催化劑被證明能夠有效減緩單質(zhì)硫的固-液轉(zhuǎn)化、溶解為多硫化物的過程，同時(shí)加速多硫化物的液-固轉(zhuǎn)化、沉積為不溶性Li₂S的過程，從根本上減少了多硫化物在電解質(zhì)中的積累，最后抑制穿梭效應(yīng)。研究人員通過DFT計(jì)算模擬研究了Li₂S_n與InO₂表面的相互作用，以及可溶的長(zhǎng)鏈Li₂S_n（n較大）向不可溶的短鏈Li₂S_n（n較?。┺D(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)能壘。

計(jì)算分析

圖 1. LiInS₂ 催化劑和反應(yīng)路徑的計(jì)算模擬

在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究人員們結(jié)合DFT計(jì)算模擬，更好地了解LiInS₂催化劑的形成，以及與石墨烯相比，Li₂S_n與In₂O₃之間的相互作用的不同。為了建立In₂O₃催化劑的精確模型，研究人員獲取了ADF-STEM成像如圖1a所示。

結(jié)果表明，In₂O₃的(4-40)、(222)面分別存在間隔為1.79和2.92 ?的晶格條紋。同時(shí)結(jié)合XRD分析，研究人員判定In₂O₃(222)為主要暴露的表面，并被用作計(jì)算模擬的主要研究對(duì)象，來優(yōu)化Li₂S_n吸附的幾何形狀。

同時(shí)研究表明，Li₂S₄在In₂O₃(222)表面傾向于與In形成In-S鍵，且In-S鍵長(zhǎng)度(2.42-2.61 ?)與標(biāo)準(zhǔn)LiInS₂的鍵長(zhǎng)度(2.49 ?)相近，如圖1c所示，這證實(shí)了LiInS₂催化劑的形成。圖1d為L(zhǎng)i₂S₄與In₂O₃的三維電荷轉(zhuǎn)移圖，等值面值為2×10^?3 e Bohr^?3。在S和In₂O₃的界面處觀察到明顯的電荷積累，表明In₂O₃與Li₂S_n之間有很強(qiáng)的相互作用。

為了更清楚地了解電荷轉(zhuǎn)移狀態(tài)，研究人員構(gòu)建了In、S和O原子的二維電荷圖，如圖1e所示，其中黃色和藍(lán)色區(qū)域分別表示負(fù)電荷和正電荷。在In原子周圍有明顯的正電荷積累，表明In原子傾向于從In₂O₃晶格中溶解出來。圖1f顯示了在3d和S 2p上的投影狀態(tài)密度(PDOS)。基于費(fèi)米能級(jí)下，在?2 eV左右的電子態(tài)時(shí)，發(fā)現(xiàn)In 3d與S 2p軌道明顯重疊，進(jìn)一步證實(shí)了In與S之間的相互作用以及LiInS₂催化劑的易于形成。

表 1. 多硫化合物在In₂O₃表面的優(yōu)化吸附結(jié)構(gòu)

然后，研究人員提供了Li₂S₂、Li₂S₄、Li₂S₈和S₈在In₂O₃表面的所有優(yōu)化結(jié)構(gòu)如表 1所示，進(jìn)一步證實(shí)了Li₂S_n與In₂O₃通過In-S鍵結(jié)合。從優(yōu)化的結(jié)果中提取In₂O₃上的S₈來研究結(jié)合能。如圖1g所示，In₂O₃與S₈之間的結(jié)合能為?3.07 eV，遠(yuǎn)高于清潔石墨烯襯底的?0.74 eV。單質(zhì)硫(S₈)容易吸附在In₂O₃表面，這是由于強(qiáng)的In-S鍵產(chǎn)生了較高的結(jié)合能，在一定程度上減緩了S₈向Li₂S₈的轉(zhuǎn)化。

最后，研究人員在考慮了Li₂S₈*、Li₂S₆*、Li₂S₄*和Li₂S₂*多硫化物中間體的同時(shí)，構(gòu)建了如圖 1h所示的反應(yīng)路徑圖。如預(yù)期的那樣，該催化劑大大降低了多硫化物逐步轉(zhuǎn)化為不可溶解S化物的能壘。例如，在石墨烯襯底上，Li₂S₆*與Li₂S₄*的轉(zhuǎn)化存在明顯的0.47 eV的能壘。相比之下，In₂O₃催化劑上的這種轉(zhuǎn)化僅為0.13 eV，這證實(shí)了該催化劑能夠加速長(zhǎng)鏈多硫化物向短鏈多硫化物的氧化還原轉(zhuǎn)化，促進(jìn)多硫化合物的析出，以減緩穿梭效應(yīng)。

文獻(xiàn)鏈接

https://doi.org/10.1002/adma.202101006

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