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兰州大学张振兴：拓扑半金属电催化剂Pd₃Sn用于高性能锂硫电池多硫转化

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-03-12 08:43

正文

▲第一作者：张宇晧

通讯作者：张振兴

通讯单位：兰州大学物理科学与技术学院

论文DOI：10.1002/adfm.202417750 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

全文速览

研究通过还原法制备了负载有还原氧化石墨烯（rGO）的 Pd₃Sn 电催化剂，并将其应用于改性隔膜中。密度泛函理论（ DFT ）计算和电化学表征表明， Pd₃Sn 的拓扑表面态对催化活性具有显著贡献，同时增强了对多硫化物的吸附能力。这使得改性隔膜能够有效加速多硫化物的转化，缓解了穿梭效应。研究结果表明，使用 Pd₃Sn@rGO 改性隔膜的锂硫电池在 1C 下实现了 865 mA h g⁻¹ 的比容量，并在相同电流倍率下经过 500 次循环后，容量衰减率仅为 0.06% ，展现出了卓越的循环稳定性。

背景介绍

锂硫电池由于其优异的理论比容量（ 1675 mAh g ^-1 ）和能量密度（ 2600 Wh kg ^-1 ），被认为是超越锂离子电池的下一代能源存储设备中的一种有前途且环保的候选者。然而，仍存在几个重大挑战，包括硫（ S ）和二硫化锂（ LiS ₂ ）的绝缘性质、可溶性锂多硫化物（ LiPSs ）的 “ 穿梭效应 ” 以及硫物种的转化动力学较慢。这些问题导致了循环稳定性差和库仑效率低，这是锂硫电池实际应用的障碍。

Pd ₃ Sn 已被报道为具有拓扑表面态（ TSS ）的拓扑半金属（ TSM ），其由 Zak 相定义。如图所示， Pd ₃ Sn 保持立方对称性，空间群为 Pm¯3m （ No. 221 ）。能带结构和态密度（ DOS ）显示出半金属特性；导带和价带在 Γ 和 R 点相交，形成结点，这是 TSM 的典型特征。这些特性导致表面电极化电荷量化和快速电子传导，从而实现 LiPSs 的强劲吸附和快速转化，使得 Pd ₃ Sn 能够作为高效的催化剂。

本文亮点

我们通过 NaBH₄ 还原法制备了还原氧化石墨烯（ rGO ）负载的 Pd₃Sn 纳米颗粒（ Pd₃Sn@rGO ）。通过吸附实验和密度泛函理论（ DFT ）计算与电化学测试，验证了所合成的 Pd₃Sn@rGO 复合材料对 LiPSs 的吸附能力显著强于纯 rGO 。 Pd₃Sn 的拓扑表面态在吸附过程中促进了 Li₂S₆ 的电子接收，从而增强了吸附并加速了氧化还原反应。此，使用 Pd₃Sn@rGO 改性隔膜的 Li-S 电池表现出极高的充放电倍率性能，在 1C 下实现 865 mAh g⁻¹ 的显著容量，并因 TSMs 的高导电性，电压极化显著降低。

图文解析

图 1. Pd ₃ Sn 及其催化机制的示意图。

如图 1 所示， Pd₃Sn 保持立方对称性，空间群为 Pm¯3m （ No. 221 ）。图 1b 展示的能带结构和态密度（ DOS ）表明 Pd₃Sn 具备半金属特性，导带和价带在 Γ 和 R 点交叉并形成节点，这是 TSM 的典型特征。这些特性促使表面电荷的量子化和快速电子传导，从而实现对 LiPSs 的强吸附和快速转化，使 Pd₃Sn 成为高效催化剂。

图 2. Pd ₃ Sn@rGO 的制备过程及微观结构表征。

我们使用 NaBH₄ 还原法制备了负载有还原氧化石墨烯（ rGO ）的 Pd₃Sn 拓扑半金属复合材料（ Pd₃Sn@rGO ）。透射电镜表明 Pd₃Sn 在 rGO 表面形成了均匀分布的纳米颗粒，有助于提供更多的催化位点并提升电池性能。

图 3. Pd ₃ Sn@rGO 的吸附实验和 DFT 计算

密度泛函理论（ DFT ）计算，验证了所合成的 Pd₃Sn@rGO 复合材料对 LiPSs 的吸附能力显著强于纯 rGO 。 Pd₃Sn 的拓扑表面态在吸附过程中促进了 Li₂S₆ 的电子接收，从而增强了吸附并加速了氧化还原反应。 Pd₃Sn 的 TSS 与 Li₂S 有强相互作用，并能促进多硫化物的双向转化。活化能分析结果进一步证实了 Pd₃Sn 电催化剂能显著降低固固反应能垒，加速硫还原过程。

图

兰州大学张振兴：拓扑半金属电催化剂Pd₃Sn用于高性能锂硫电池多硫转化

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