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金屬卟啉框架材料有效抑制多硫化物“穿梭效應(yīng)”
近日，長沙理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2018級(jí)本科生任宇作為第一作者、其導(dǎo)師金紅廣博士為通訊作者的科研論文“Metal-Porphyrin Frameworks Supported by Carbon Nanotubes: Efficient Polysulfide Electrocatalysts for Lithium-Sulfur Batteries”，被《化學(xué)工程雜志》（Chemical Engineering Journal）在線發(fā)表。
由于能源供給和需求在時(shí)間和空間上的矛盾，儲(chǔ)能器件成為新能源體系中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。鋰離子電池作為便攜式電子供電設(shè)備在近三十年間取得了巨大商業(yè)成功，但它仍受能量密度低等問題限制。鋰硫電池具有理論能量密度高、成本低廉、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是下一代儲(chǔ)能器件選擇之一，但它的商業(yè)化應(yīng)用受到一系列問題的阻礙，其中多硫化物的“穿梭效應(yīng)”是最嚴(yán)峻的問題。
長沙理工大學(xué)科研人員構(gòu)建有效抑制多硫化物“穿梭效應(yīng)”金屬框架材料。受訪者 供圖
在自然界中，細(xì)胞色素c 還原酶可通過其結(jié)構(gòu)中的卟啉與附近硫簇之間的高效電子轉(zhuǎn)移，完成高效催化氧化磷酸化過程。受此啟發(fā)，任宇等幾位課題組成員將基于自由堿卟啉和鈷卟啉的二維鉿-卟啉框架納米片原位生長到具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的碳納米管上，并用構(gòu)建的納米復(fù)合物Hf-H2DPBP/CNT與Hf- CoDPBP/CNT修飾商業(yè)化的Celgard隔膜。由于Hf-H2DPBP與Hf-CoDPBP兩者對(duì)多硫化物具有高效催化轉(zhuǎn)化性能，它們通過有效抑制多硫化物的“穿梭效應(yīng)”，大大優(yōu)化了鋰硫電池的電化學(xué)性能。
此外，任宇等課題組成員開展的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，Hf-H2DPBP與Hf-CoDPBP具有相當(dāng)?shù)碾姶呋憩F(xiàn)，即使后者具有單原子金屬催化活性位點(diǎn)（Co）。他們進(jìn)一步結(jié)合DFT計(jì)算和局部態(tài)密度分析，從理論計(jì)算角度進(jìn)行了詳細(xì)分析。據(jù)介紹，此項(xiàng)成果為高效卟啉基電催化材料在鋰硫電池方面的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)思路，具有重要的科學(xué)意義。
該論文審稿人認(rèn)為，論文作者構(gòu)建了兩種金屬卟啉框架材料，用于鋰硫電池隔膜涂層材料的多硫化物電催化劑。經(jīng)自由堿卟啉和鈷卟啉基的金屬卟啉框架材料改性的隔膜表現(xiàn)出了優(yōu)異且相當(dāng)?shù)碾娀瘜W(xué)性能，這都得到了實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算的充分支持。該工作對(duì)開發(fā)卟啉基隔膜涂層材料用于先進(jìn)鋰硫電池具有重要意義。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135150.
任宇在開展相關(guān)研究。受訪者 供圖
