莫特-肖特基（Mott-Schottky）电催化剂中的界面电荷重构和多重空间限域策略增强硫反应动力学

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【研究背景】

基于多电子转化体系的锂硫电池具有诸多优势，如高比容量、高能量密度、硫资源丰富、成本低廉且环境友好等，是一种有吸引力的低成本能源存储技术。但是反应中多硫化物（LiPSs）严重的穿梭效应，缓慢的反应动力学，硫和硫化锂低的电导率以及充放电过程中大的体积变化等问题导致容量衰减快和循环性能差，严重限制了其商业化应用。因此，发展一种兼具高电子/离子传输和高吸附/催化活性的硫宿主材料是锂硫电池发展中的重要一环。具有类铂d电子结构的金属碳化物拥有高导电性和优异的催化能力，能够通过化学作用锚定LiPS且促进电极反应过程中的LiPS氧化还原动力学。然而，金属碳化物通常是在高温下合成的，极易出现团聚，致使产物尺寸不均匀，比表面积低下，从而导致吸附/催化活性位点大量减少，使得金属碳化物的电催化能力往往不尽如人意。本论文考虑采用异质结工程和双碳限域策略有效改善碳化钨的催化活性，进而促进硫反应动力学过程。

【工作介绍】

近日，华中科技大学的霍开富教授与武汉科技大学的郑洋教授等利用简单的喷雾干燥技术和双模板策略合成了三维分级结构的W₂C量子点/氮掺杂石墨烯微球(W₂C QD/NGM )。其中，高极性、超小尺寸的W₂C量子点均匀分散在石墨烯骨架上，增加W₂C的吸附/催化活性位点以改善其催化活性，同时构建由W₂C和氮掺杂石墨烯组成的莫特-肖特基（Mott-Schottky）异质结，促进界面电荷转移及反应动力学。理论计算和实验结果表明，三维分级结构石墨烯微球为活性S和Li₂S提供了理想的内部空间，并通过多重空间限域效应有效抑制LiPS的穿梭。丰富的W₂C-NG异质结界面处存在自发的电荷重构，增强了W₂C的吸附催化能力，降低LiPS还原的能量垒并促进Li₂S沉积和分解。该文章发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上，研究生罗荣杰为本文第一作者。

【内容表述】

Figure 1. Schematic illustration of the synthesis of W₂C QD/NGM and W₂C QD/NGM/S.

作者采用喷雾干燥技术和双模板策略构建三维分级结构的W₂C 量子点/氮掺杂石墨烯微球(W₂C QD/NGM )。其中，微球内部由石墨烯相互交织在一起的三维分级结构，同时具有微孔、介孔和大孔结构。这种独特的三维分级结构为活性S和Li₂S提供了理想的内部空间，并可以通过多重空间限域效应有效抑制LiPS的穿梭。

Figure 2. Morphological and structural characterizations of the W₂C QD/NGM.

此外，在石墨烯和双氰胺衍生氮掺杂石墨烯的双碳协同作用下，空间限域W₂C的生长，抑制其发生团聚，使得W₂C以超小尺寸的量子点形式均匀分布在氮掺杂石墨烯骨架上，从而增加W₂C的吸附/催化活性位点数量以改善其催化活性。高度分散的W₂C量子点和氮掺杂石墨烯紧密接触，形成莫特-肖特基（Mott-Schottky）异质结，在其界面处存在一个由W₂C指向氮掺杂石墨烯的内置电场，增强了W₂C的吸附催化能力，降低LiPS还原的能量垒并促进Li₂S沉积和分解。