導讀
近日，中南大學化學化工學院紀效波、侯紅帥教授團隊在化學類頂級期刊《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)發表了題為“鈉硫電池中MoS2高催化活性的來源：電化學重構的Mo單原子(Origin of high catalytic activity of MoS2in Na-S batteries: electrochemically reconstructed Mo single atoms)”的研究論文。中南大學化學化工學院為唯一單位，侯紅帥教授為通訊作者，2022級博士生鍾雪為第一作者。
MoS2催化劑結構示意圖
為了應對氣候變化，全球正逐步向清潔能源轉型。風能和太陽能等可再生能源的裝機量持續增長，但這些能源具有不穩定、隨機性和間歇性的特點，對電網的頻率控制提出了更高的要求。儲能技術可以平衡電力系統的供需，特別是在可再生能源發電佔比提高的情況下，儲能顯得尤為重要。鈉硫電池具有能量密度高、資源豐富、成本低等特點，被認為是很有競爭力的電化學儲能系統。當前商業化的是高溫鈉硫電池，電池需在300°C的工作溫度下，透過液態硫和金屬鈉之間的化學反應來儲存和釋放能量，存在較大的安全隱患。在此背景下，室溫鈉硫電池展現出了巨大的發展潛力，其在室溫條件下執行，不僅顯著降低了系統的成本，還規避了高溫操作帶來的安全風險。高溫鈉硫電池放電終產物為Na2S3，理論能量密度約為760 Wh/kg，而室溫鈉硫電池放電產物為Na2S，具有更高的理論能量密度（1274 Wh/kg）。然而，由於室溫鈉硫電池在充放電迴圈中轉化動力學遲緩，導致正極產生的易溶性多硫化鈉（NaPSs）未能迅速轉化為不溶性Na2S，造成NaPSs溶於電解液後穿過隔膜與金屬鈉負極直接接觸，即“穿梭效應”，引發不良反應，導致硫正極不可逆損失，電池容量大幅衰減，限制了其實際應用。
引入合適的催化劑，加速NaPSs向Na2S的轉化是抑制“穿梭效應”的常用策略。在本研究中，透過碳點組裝製備了多孔碳纖維，以其為載體構建了碳纖維/硫/硫化鉬複合正極材料，發現了在深度充放電過程中硫化鉬（MoS2）催化劑會原位轉化形成痕量Mo單原子（MoSAC），進而自重構形成高活性催化相（MoS2/MoSAC）。MoSAC的形成調控了Mo d帶中心的電子結構，不僅有效促進了d-p軌道雜化，還透過鍵合轉變加速了催化中間體的解吸，動態單原子協同催化機制增強了金屬活性位點與NaPSs之間的吸附響應，加速了硫氧化還原反應（SRR），顯著提升了室溫鈉硫電池電化學效能。本研究為室溫鈉硫電池中MoS2催化劑的反應機制提供了新見解。
據悉，該研究獲得了國家自然科學基金專案和中南大學研究生創新專案等基金的支援。
來源：中南大學
