p- 块元素调制 1T 相 MoS2助力高性能锂氧电池：突破与创新

非水系锂氧（Li||O2）电池虽理论比能量高，但氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）动力学缓慢。研究人员开展 p - 块元素（In - O）掺杂 1T 相 MoS2并晶格接枝 Ru 的研究，提升了电池性能，为双功能催化剂设计提供思路。

　　在能源存储领域，锂氧（Li||O₂）电池凭借高达 3500 Wh/kg 的理论比能量，成为极具潜力的新型电池，有望在未来能源市场大放异彩，给电动汽车、便携式电子设备等行业带来变革。然而，理想很丰满，现实却很骨感。Li||O₂电池的发展面临着诸多难题，其氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）过程涉及复杂的多步、多电子氧化还原化学变化，导致质量传递和表面反应动力学十分缓慢。而且，固体放电产物 Li₂O₂不仅本身具有绝缘性，还难溶于电解液，这使得电池在充放电过程中产生很大的过电位，严重制约了电池的性能，就像给电池的发展套上了沉重的枷锁。因此，研发高效催化剂来调控 Li₂O₂的成核生长和分解，成为 Li||O₂电池研究的关键所在。

山东大学的研究人员勇挑重担，针对这些难题展开了深入研究。他们提出了一种创新策略，通过 p - 块元素（In - O）掺杂来调制 1T 相 MoS₂，并实现 Ru 晶格接枝，成功制备出 In - O - MoS₂@Ru 催化剂，应用于高性能 Li||O₂电池。这一研究成果意义重大，不仅提升了 Li||O₂电池的性能，还为双功能催化剂的设计开辟了新方向，相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。材料制备方面，采用水热法合成 In - O 掺杂的 1T 相 MoS₂，并通过接枝生长策略将 Ru 纳米颗粒固定在其晶格上。微观结构表征上，利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF - STEM）等观察材料的形貌和结构；借助 X 射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱等分析材料的相组成和电子结构。电化学性能测试则通过循环伏安法（CV）、恒电流充放电测试等评估电池性能。

下面来详细看看研究结果：

• 微观结构表征：水热法制备的 In - O - MoS₂@Ru 催化剂呈纳米花状，由超薄卷曲纳米片组成，比表面积大。TEM 和 HAADF - STEM 图像显示，平均尺寸 4nm 的 Ru 纳米颗粒均匀分布在 In - O - MoS₂中，且沿其晶格外延生长，形成晶格匹配的 0D/2D 异质结构。XPS、拉曼光谱等结果表明，In - O 共掺杂稳定了 1T 相 MoS₂，抑制了其向 2H 相转变。
• 电化学性能：将 In - O - MoS₂@Ru、In - O - MoS₂和 MoS₂作为正极催化剂组装成 Li||O₂扣式电池进行测试。CV 曲线显示，In - O - MoS₂@Ru 在 Li₂O₂分解过程中有额外阳极峰，且其还原 / 氧化峰电流和积分区域更大，说明该催化剂能产生更多 Li₂O₂且分解更完全，ORR/OER 可逆性更好。充放电测试中，In - O - MoS₂@Ru 在 200 mA/g 电流下，充放电极化仅 0.37V，往返效率达 88.5%，远优于其他两种催化剂；其放电 / 充电容量高达 19800 mAh/g，库仑效率 100.0%。在不同电流密度下测试，In - O - MoS₂@Ru 的放电 / 充电平台更平坦，过电压更低，循环稳定性更好，能稳定循环 284 次。
• 放电和充电后的非原位分析：对放电 / 充电后的 Li₂O₂物种进行非原位表征发现，In - O - MoS₂@Ru 电极上形成的 Li₂O₂结晶度弱，多为非晶态薄膜均匀覆盖在表面，有利于后续充电时分解。而 In - O - MoS₂和 MoS₂电极上会有大尺寸 Li₂O₂团聚，阻碍充放电过程。此外，In - O - MoS₂@Ru 催化剂在长周期循环后结构稳定，对寄生产物耐受性好。
• DFT 计算和反应机制：密度泛函理论（DFT）计算表明，In - O 共掺杂减少了垂直于基面的未占据轨道数量，增强了化学键，提高了 1T 相 MoS₂的稳定性。Ru 纳米颗粒与 In - O - MoS₂之间存在强电子相互作用，In - O - MoS₂@Ru 对 O₂分子的活化能力强，LiO₂和 Li₂O₂的吸附能差小，有利于 Li 离子迁移。基于此，提出了不同催化剂上的反应机制，In - O - MoS₂@Ru 能高效激活 O₂分子，促进 Li₂O₂的形成和分解。

研究结论和讨论部分指出，1T 相 MoS₂负载金属纳米颗粒催化剂虽有潜力，但存在热亚稳性问题。本研究中，In - O 掺杂起到了关键作用，一方面稳定了 1T 相 MoS₂，另一方面促进了 Ru 纳米颗粒的外延生长，优化了电子结构，增强了 O₂活化能力和电荷转移效率，促使 ORR 过程中形成易分解的非晶态超薄 Li₂O₂薄膜，提升了电池的双功能催化动力学。该研究为构建高效电催化剂提供了新思路，通过协同相工程和晶格相干策略，有望推动金属 - 空气电池领域的发展，为未来能源存储技术的革新奠定基础。