应用成果

DOI：10.1021/acsnano.5c05720

过渡金属二硒化物（TMSe2）作为一种具有良好催化性能的材料，已被广泛应用于锂硫电池（LSBs）中促进多硫化锂（LiPSs）的转化动力学。然而，传统TMSe2中催化活性位点数量有限，在很大程度上限制了其在锂硫电池中的应用潜力。近日，松山湖材料实验室能源转换与存储材料团队的研究人员利用微波辅助溶剂热+焦耳热后处理的方法合成了高熵NiCoMnCrVSe2/G纳米片催化剂（图1），并结合大量实验研究和理论计算，系统探究了高熵策略如何调控TMSe2中各种金属的电子结构和配位环境。结果表明，随着TMSe2中过渡金属数量的增加，金属活性位点的d带中心向费米能级移动且不同金属之间d带中心位置的差异减小，从而增强了对LiPSs的吸附，同时降低了Li2S的成核/分解能垒（图2a-b）。

图1. NiCoMnCrVSe2/G催化剂的形貌与微观结构。（a）TEM图。（b）HAADF-STEM图。（c）HR-TEM图（插图：从（c）区域获取的SAED图案）。（d-f）球差校正HAADF-STEM图像。（g）模拟原子模型。（h）沿（e-f）图中白色方框区域内进行线扫描的强度分布图。（i）STEM-EDS元素分布图。（j）不同元素含量的ICP-OES结果（插图：NiCoMnCrVSe2的原子模型）。

实验表明，催化剂的结构稳定性和导电性对锂硫电池的长循环性能至关重要。NiCoMnCrVSe2/G催化剂通过焦耳热（合肥原位高科, CIS JH3.3P）处理后，大大提高了NiCoMnCrVSe2的导电性和结构稳定性，同时增强了NiCoMnCrVSe2纳米片与石墨烯载体之间的结合强度。电化学性能测试表明，高载量硫/焦耳加热-NiCoMnCrVSe2/G复合正极材料（S负载：6.1 mg cm-2）在贫电解液（E/S比：5 μL mg-1）条件下相比于未经焦耳热后处理的S/ NiCoMnCrVSe2/G复合正极具有更高的面容量和容量保持率：其初始面容量可从6.64提高到6.89 mAh cm-2，200圈循环后的容量保持率从70.5%提升到80.6%。此外，为了进一步验证S/NiCoMnCrVSe2/G复合正极的实用性，研究人员组装了一个2.18 Ah的多层软包电池（图2c-d）。按整体重量计算，软包电池具有高达435 Wh kg-1的能量密度。此外，该软包电池可以稳定循环76次以上，容量保持率为79.8%，相比于之前文献报道的类似先进复合硫正极，S/NiCoMnCrVSe2/G展现出较大的优势（图2d-f）。

图2.（a）NiCoMnCrVSe2-Li2S4、NiCoMnCrSe2-Li2S4、NiCoMnSe2-Li2S4、NiCoSe2-Li2S4和NiSe2-Li2S4的PDOS及对应的d带中心。（b）Li2S4吸附在不同TMSe2催化剂表面上的S 3p能带结构。（c）高载量S/焦耳加热-NiCoMnCrVSe2/G复合正极材料（S负载：6.1 mg cm-2）在贫电解液（E/S比：5 μL mg-1）条件下的长循环性能。（d）含有2.69 g硫的锂硫软包电池的照片及放电曲线。（e）在0.1 C倍率下测试的多层软包电池的循环稳定性。（f）本研究中锂硫软包电池性能与近期报道文献中其它研究的综合比较。

本工作以“Regulating Electronic Structure and Coordination Environment of Transition Metal Selenides through the High-Entropy Strategy for Expedited Lithium–Sulfur Chemistry”为题于2025年7月21号发表在国际知名期刊《ACS Nano》上。能源转换与存储材料团队博士后王伟为文章的第一作者，团队刘利峰研究员为文章的通讯作者，松山湖材料实验室为文章的第一及通讯单位。

通讯作者简介

刘利峰，研究员，松山湖材料实验室能源转换与存储材料团队负责人。于2004年和2007年在中科院物理所先后取得硕士和博士学位，师从解思深院士。2007年5月进入马普微结构物理研究所做博士后研究，并于2009年8月晋升为课题组长，2010年升为常职科研人员。2011年4月加入伊比利亚国际纳米技术实验室，任研究员、团队负责人。2022年获国家海外高层次人才项目资助加入松山湖材料实验室。刘利峰博士自2009年起一直从事能源存储与转换材料的研究，研究课题涉及高性能电催化及电合成材料（例如用于电催化产氢、产氧、氧还原、小分子氧化、CO2还原等反应的催化剂），以及用于电池及超级电容器的纳米结构电极材料。已主持及承担了10余项欧盟及葡萄牙科技基金委、葡萄牙创新局、国家重点研发计划、广东省区域联合基金等项目，目前为止已在国际知名学术杂志上发表学术论文210余篇，总被引用次数16000余次，h因子为72（谷歌学术，截至2025年2月）；组织多次国际研讨会及担任多个国际会议的组委会成员；目前担任国际知名杂志Materials Today Energy、Advances in Nano Research、Materials Futures、Applied Research编委。

本文使用的焦耳加热装置由合肥原位科技有限公司研发，感谢老师支持与认可!

焦耳加热装置

焦耳加热装置是一种新型快速热处理/合成的设备，该设备可使材料在极短（毫秒级/秒级）时间内达到极高的温度（1000~3000℃），升温速率最快可达到10000k/s；通过对材料的极速升温，可考察材料在极端环境、剧烈热震情况下的物性改变，可通过极速升降温制备纳米尺度颗粒，单原子催化剂，高熵合金等。目前广泛应用在电池材料、催化剂、碳材料、陶瓷材料、金属材料、塑料降解、生物质等领域。