鋰硫電池具有較多的優(yōu)勢，被認為是有前途的儲能系統(tǒng)候選者之一。然而，鋰硫電池也面臨著許多缺點如嚴重的穿梭效應和緩慢的反應動力學限制了其商業(yè)應用。為了實現(xiàn)硫物種快速的吸附-擴散-轉化-脫附過程，材料應具有“適當?shù)幕瘜W吸附”和快速的電子/離子傳輸。

根據(jù)Sabatier原理，基質和硫物種之間的化學吸附太強可能會阻礙離子擴散而影響后續(xù)的轉化及解吸過程，相反，化學吸附太弱會帶來嚴重的穿梭效應。鑒于此，制備符合Sabatier原理的Mott-Schottky異質結，通過調(diào)節(jié)d能帶相對于費米能級的能量中心來對宿主材料進行修飾，調(diào)控異質結的吸附能力在中等水平，進一步催化硫種之間的氧化還原反應就顯得尤為重要。

在此，湘潭大學王先友教授、裴勇教授、舒洪波教授和陳曼芳副教授等人采用水熱還原法和后續(xù)的煅燒工藝合成了WO3@CC樣品，再通過原位氮化成功制備了富含氧空位的WO3?x–W3N4@CC異質結。

理論計算和實驗結果表明，莫特-肖特基異質結產(chǎn)生的內(nèi)置電場和異質結低的Δd-p導致低的反鍵態(tài)能量，這都會促進電子轉移和界面氧化還原動力學，使WO3?x–W3N4表現(xiàn)出比WO3和W3N4更低的自由能變化（1.03 eV）和Li2S 分解能壘（0.92 eV），顯著增強了硫還原反應（SRR）活性。

通過調(diào)整金屬d帶中心向費米能級的移動，異質結表現(xiàn)出對硫物種合適的吸附能力，有利于硫物種之間的催化轉化。 因此，WO3?x–W3N4@CC/S電池表現(xiàn)出良好的電化學性能，包括出色的倍率性能（2 C下913.9 mAh g?1）、長循環(huán)壽命（1 C下400次循環(huán)，庫侖效率為 98.8%）和高硫利用率（0.5 C 時為 1156.9 mAh g?1）。該電池在 4.98 mg cm?2時還表現(xiàn)出 5.0 mAh cm?2的高面積容量。

圖1. 制備流程

總之，該工作通過水熱法和后續(xù)的氮化工藝合成得到富含氧空位的材料。通過調(diào)整金屬d帶中心向費米能級的偏移，異質結顯示出對硫物種的合適吸附能力。理論計算和實驗結果表明，Mott-Schottky異質結可以產(chǎn)生內(nèi)置電場，加速電子轉移動力學，并對多硫化物表現(xiàn)出合適的吸附能力，從而有效地催化硫物種之間的轉化，降低反應的能壘。

結果表明，WO3?x-W3N4@CC/S電池具有良好的電化學性能，包括出色的倍率性能(2 C下913.9 mAh g?1)，長循環(huán)壽命(1 C下400次循環(huán)，庫侖效率為98.8%)和高的硫利用率(0.5 C下1156.9 mAh g?1)，并且在4.98 mg cm?2下具有5.0 mAh cm?2的高面積容量。因此，該工作為構建Mott-Schottky異質結催化劑提供了一種有前途的方案，對鋰硫電池的發(fā)展具有重要意義。

圖2. 電池性能

Oxygen Defect-Rich WO3-x–W3N4 Mott–Schottky Heterojunctions Enabling Bidirectional Catalysis for Sulfur Cathode Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202306578