锂硫(Li-S)电池因其高容量和高能量密度被认为是下一代储能系统的候选电池之一。然而，可溶性多硫化锂的穿梭行为和氧化还原过程中动力学的迟缓阻碍了电池的持久运行。本文采用简单的煅烧方法在掺氮石墨烯(VN/NG)复合材料上制备了VN纳米颗粒，对隔膜进行改性，不仅可以用化学方法捕获多硫化物，而且可以催化多硫化物与不溶性Li₂S在充放电过程中的转化反应。通过计算的活化能(E_a)验证了VN/NG的催化效果，在氧化还原的两个方向上，VN/NG的活化能都小于NG。由于VN/NG的协同吸附催化作用，采用VN/NG改性隔膜的电池具有优异的倍率性能(在5C 时为791 mAh g^-1)和循环稳定性(3百次循环后为863 mAh g^-1，在1C时每循环的低衰减率为0.068%)。这项工作为高性能锂硫电池双功能催化剂提供了一种简单的制备策略和基本认识。
 
 
图1. VN/NG复合材料的结构分析和形态表征。(a）X射线衍射图；（b）V 2p高分辨率XPS光谱和（c）N 1s的高分辨率XPS光谱； (d）扫描电镜(SEM)图像；(e） 透射电镜(TEM)图像;(f，g）高分辨率TEM图像；(h）HAADF-STEM图像以及相应的C、V、N和O元素映射图像
 

图2. NG和VN/NG对多种多硫化物参与反应的电催化性能。(a）扫描速率为1 mV s^-1时，电压范围为-1.0~1.0 V的Li₂S₆对称电池的循环伏安曲线；（b）电压为2.05 V时的恒电位放电曲线；(c）在2.4V电压下的恒电位电荷分布；(d）在1.7~2.8V电压范围内，扫描速率为0.1mV s^-1时，带有NG/PP和VN/NG/PP隔膜的电池的循环伏安曲线；(e，f）从图2（d）和插图中获得的线性扫描伏安曲线是相应的塔菲尔曲线图
 
 
图3. （a）VN/NG/PP和（b）NG/PP隔膜在不同电压下的电池Arrhenius图；(c） 不同电压下的活化能和相应的电压分布；插图是催化效果的说明
 
 
图4. 在NG（001）和VN（200）表面上吸附构型的（a） Li₂S₄分子的侧视图和Li₂S分子的俯视图；(b） VN和NG表面Li₂S分解的能垒分布；(c） VN和NG上Li₂S₄到Li₂S可逆反应的能量分布
 
 
图5. 不同隔膜电池的电化学性能。(a）在0.5C时，使用不同隔膜的电池的循环性能比较；在0.2到5C的电流速率下，使用VN/NG/PP和NG/PP隔膜的电池的(b）速率性能和（c）电势差；(d）与其他催化剂进行本研究和之前报告的速率性能比较；在(e）1C时和（f）2C时 VN/NG/PP电池的循环性能与NG/PP电池进行了比较
 

图6. （a）VN/NG/PP和（b）NG/PP隔膜在扫描速率为0.1至0.5 mV s^-1时的电池循环CV曲线；CV图的峰值电流（I_p）与对于VN/NG/PP和NG/PP在(c) 第一个(R1: S₈→ Li₂S_x)和(d)第二个(R2: Li₂S_x→Li₂S₂/Li₂S) 的阴极还原过程以及(e) 阳极氧化过程（O1: Li₂S₂/Li₂S →Li₂S_x）的扫描速率平方根（V^0.5）的曲线图；（f）对于R1、R2和O1的I_p/v^0.5值

        相关研究成果由太原理工大学化学化工学院Erdong Jing课题组于2021年发表在Journal of Energy Chemistry (https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.05.015)上。原文：Dual redox catalysis of VN/nitrogen-doped graphene nanocomposites for high-performance lithium-sulfur batteries。

转自《石墨烯杂志》公众号