需要高效的催化剂来加速转化并抑制多硫化物（LiPS）的穿梭，以促进锂硫（Li−S）电池的进一步发展。金属间硼化铌（NbB₂）由于优异的催化活性而具有无限的潜力。尽管如此，缺乏对催化的理性理解给催化剂的设计带来了挑战。本文合理设计了NbB₂/还原氧化石墨烯改性PP隔膜（NbB₂/rGO/PP）。至关重要的是，基于实验和多视角测量表征、从头分子动力学（AIMD）和密度泛函理论（DFT），深入了解 NbB₂ 对 LiPS 的催化机制。研究发现，与 NbB2 中的 LiPS 相互作用的实际催化剂是具有氧化层 (O₂−NbB₂) 的钝化表面，该氧化层是通过 B−O−Li 和 Nb−O−Li 键发生的，而不是干净的 NbB₂ 表面。并且Li₂S的分解势垒大幅降低，在Nb−O和B−O表面上分别从3.390下降到0.93和0.85 eV，并且Li+扩散率快。因此，以NbB₂/rGO/PP作为功能隔膜的电池在100次循环后在1C下实现了873 mAh g⁻¹的高放电容量。此外，即使在 7.06 mg cm⁻² 的高硫负载量下，NbB₂/rGO/PP 的优点也能有效保持，而不会显着减少，并且电解质/硫比为 8 μL mg−1 s 的低水平。这项研究增强了我们对Li−S系统催化机制的理解，并为开发抗中毒的电催化剂提供了一种有前途的方法。

 
Fig 1. NbB₂/rGO 的 XRD 谱 (a) 和 SEM 图像 (b, c)、具有相应元素映射的 TEM 图像 (d−f)、NbB₂/rGO/PP 平面和横截面的 SEM 图像 (g−i) 以及照片NbB₂/rGO/PP 弯曲前后的状态 (j−l)。

 
Fig 2. PP和NbB₂/rGO的（a）循环性能，（b）充放电曲线，（c）C1和C2阶段相应的放电容量，（b），（d）倍率容量，（e，f）放电曲线在不同倍率下，（g）高负载情况下正极的循环性能，（h）与之前的报告比较，以及（i）低电解质使用情况下的循环性能。插图为PP和NbB₂/rGO不同阶段容量贡献率图。

 
Fig 3. (a) 计算出的 Li₂Sn 在 NbB₂（B 端和 Nb 端）清洁表面上的结合能，吸附在 (b) Nb 和 (c) B 表面系统上的 S₈ 的相应结构与时间的关系。 Nb、B 和 S 原子分别用蓝色、粉色和黄色球表示。

 
Fig 4. O₂ 在 NbB₂ 催化剂的 (a) Nb 表面和 (b) B 表面上的分解过程。 Nb、B 和 O 原子分别用青色、粉红色和红色球表示。 S₈ 吸附在 (c) Nb−O 和 (d) B− O 表面体系上的相应结构随时间的变化，其中 Nb、B 和 S 分别用蓝色、粉色和黄色球表示。

 
Fig 5. (a) NbB₂ 的 AC-TEM 图像和相应的映射。 B、Nb 和 O 原子分别用蓝色、橙色和黄色表示。 (b) NbB₂ 的 B 1s 和 Nb 3d XPS 谱。 (c−e) NbB₂ 的拉曼光谱以及 B−O 和 Nb−O 键的微拉曼图谱。(f−h)在不同充电/放电状态下获得的NbB₂的Li 1s、B 1s和Nb 3d XPS。

 
Fig 6. (a) 多硫化锂 (Li₂Sn) 在 O₂−NbB₂ 上的吸附构型，(b) 计算出的 Li₂Sn 在 NbB₂ 上的结合能（B−O 端接和 Nb−O 端接），(c−f) 后 NbB₂/rGO 的 XPS 谱吸附 LiPS，（g）照片显示装有 LiPS 溶液的密封小瓶和吸附后相应的紫外/可见光谱，以及（h−j）双 L 渗透装置分别在 PP、rGO/PP 和 NbB₂/rGO/PP 隔膜上的渗透实验。

 
Fig 7.（a）Li₂S在NbB₂和rGO上的分解路径和能垒，（b）扫描速率为1 mV s^-1时NbB₂/rGO对称阴极的典型CV曲线，（c，d）不同扫描速率下的CV曲线， (e) 0.1 mV/s时的峰值电流和电压，(f, g)扫描速率v^0.5与峰值电流I_peak的平方根与Li⁺离子扩散系数(D_Li+)值的对应关系，(h−j) NbB₂/rGO/PP 和 PP 的原始和拟合的 EIS 谱和活化能 (Ea)，以及 (k, l) LiPSs 在 Li−S 电池中 PP 和 NbB₂/rGO 隔膜上的固定和转化示意图。

 
Fig 8. 采用 NbB₂/rGO/PP 的 Li−S 电池等高线图中的原位 XRD 表征，并附有充放电曲线。

 
Fig 9. 循环后隔膜和锂箔的形貌以及用 PP (a−c) 和 NbB₂/rGO/PP (d−f) 组装的 Li−S 电池的相应元素表征。
 
      相关研究工作由江苏师范大学Zhouyang Long，Xiao Yan课题组于2024年在线发表在《ACS NANO》期刊上，Niobium Boride/Graphene Directing High-Performance Lithium–Sulfur Batteries Derived from Favorable Surface Passivation，原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12076

转自《石墨烯研究》公众号