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新型計算模型篩選Mxenes—找尋高效硫正極還原催化劑

來源：時間：2023-06-28 09:18:13 瀏覽：1948次

第一作者：Min Fang

通訊作者：任吉昌教授、李爽教授和劉偉教授

通訊單位：南京理工大學(xué)

DOI: 10.1021/jacs.3c01834

研究背景

鋰-硫（Li-S）電池具有高能量密度和環(huán)境友好等特點，有望成為下一代儲能器件。然而，Li-S電池的實際應(yīng)用嚴重制約于硫正極高的絕緣性、可溶性多硫化鋰（LiPSs）的擴散-穿梭以及硫還原反應(yīng)（SRR）動力學(xué)緩慢等問題。

研究表明，調(diào)諧MXenes的表面終端和亞表面過渡金屬可以獲得具有獨特化學(xué)活性的表面位點，從而對硫正極還原產(chǎn)生不同的催化活性。通過高通量實驗或密度泛函理論（DFT）計算來尋找優(yōu)化的MXenes催化劑既耗時又昂貴。因此，構(gòu)建一種精準的篩選模型去準確預(yù)測Mxenes家族中潛在的SRR催化劑是一項挑戰(zhàn)。

基于此，南京理工大學(xué)的劉偉教授、李爽教授和任吉昌教授等人報道了一種新型模型來研究Mxenes對SRR的催化活性，構(gòu)建了Mxenes表面特性和SRR反應(yīng)Gibbs自由能之間的關(guān)系，從而為快速準確地探索MXene基硫正極催化劑提供可能。

文章要點

要點一：基于Mxene表面終端的p帶中心（ε_p）和亞表面過渡金屬的電負性（χ_p），構(gòu)建了一種高效且簡單的理論模型用于研究MXenes的表面局部化學(xué)環(huán)境與Li-S電池中SRR限速步驟之間的關(guān)系。

要點二：利用該模型篩選出四種可能具有高翠花活性的MXenes材料（Sc₂CS₂、Ti₂CS₂、Mo₂CS₂和W₂CS₂），并通過對比DFT計算中Gibbs自由能差的結(jié)果證實了模型的準確性。該工作提供的預(yù)測模型使用簡單的電子描述符而非昂貴的量子化學(xué)計算，為預(yù)測硫正極還原催化劑提供了新的思路和理論基礎(chǔ)。

圖文展示

圖1.預(yù)測模型的研究方法示意圖

圖2. Li₂S₂到Li₂S轉(zhuǎn)化時三種可能的反應(yīng)路徑

圖3.不同MXene的表征

圖4.態(tài)密度（DOS）計算

圖5.MXene電子描述符X和Gibbs自由能變化

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