磷掺杂Mo2C作为锂硫电池催化剂的第一性原理设计和实验研究

作     者：王璐瑶 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈岗

授予年度：2024年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：锂硫电池 电催化剂 Mo2C 掺杂 第一性原理计算 

摘      要：随着能源消费的增长和严重的环境危机,传统化石能源暴露出一系列弊端。尽管一些绿色能源受到了广泛关注,但仍具有间歇性和不可控的缺点。传统的锂离子电池依赖于插层型电极材料,锂离子只能拓扑地插入某些特定的位点,这大大限制了电池的电荷储存容量和能量密度。 锂硫电池具有高理论比容量(1675 m Ah g-1)和高理论比能量(2600 Wh Kg-1),同时硫资源储能丰富且成本低,对环境友好等优点。但锂硫电池本身也面临着一些难题,如严重的穿梭效应、硫及硫化锂的绝缘性和锂枝晶生长等问题。本工作主要从抑制穿梭效应,加快反应动力学入手,设计高效的锂硫电池电催化剂。过渡金属碳化物具有高导电性和稳定性,已被应用于锂硫电池和析氢反应等领域。由于材料的催化性能与本身的电子结构密切相关,而元素掺杂能够从根本上改变材料电子结构,因此对材料进行适量杂元素掺杂成为提升其催化性能的重要方法。基于以上内容,本工作先从理论计算角度设计出适用于锂硫电池的电催化剂,并深入探究该催化剂的工作原理。随后,从实验角度合成材料并组装锂硫电池,以验证理论计算的结果,为锂硫电池高效催化剂的研究提供新思路。本论文取得的主要研究成果如下: （1）通过杂元素掺杂策略提高了Mo2C的催化性能。基于第一性原理,利用密度泛函理论（DFT）探究磷（P）掺杂的Mo2C（P-Mo2C）作为锂硫电池催化剂的性能及催化机理。首先,构建的基底有良好的导电性、热稳定性,这使得电子/离子在基底上能快速转移,同时基底能持续催化氧化还原过程。其次,P掺杂能改善Mo2C的吸附性能,适中的吸附能既能够防止多硫化物的溶解还能有利于多硫化物的转化。此外,P-Mo2C还具有良好的催化性能,低Li2S分解势垒和Li+的迁移势垒。以上结果表明,P-Mo2C有望成为锂硫电池的高效电催化剂。 （2）在理论计算的基础上,通过有机-无机纳米杂化合成了生长在碳纳米纤维（CNF）上的P-Mo2C纳米颗粒（P-Mo2C@CNF）,并将其作为硫宿主。P的掺杂调控了Mo2C的电子性质,增强了Mo2C对多硫化物的吸附性能和加快多硫化物转化的催化性能。得益于以上优异性能,采用P-Mo2C@CNF的锂硫电池具有更快的反应动力学、更优异的电化学性能。此外,P-Mo2C@CNF催化剂在高硫负载量(4.88 mg·cm-2)和低电解液用量和硫质量比（E/S比）的条件下,面容量达到6.50 m A·h·cm-2,表明该催化剂具有实际应用潜力。