磷掺杂层级空心Cu2MoS4纳米管的电催化依赖型动态表面重构：双功能氧氧化还原反应（ORR/OER）催化剂设计

为解决锂-氧电池（LOBs）中高过电位和循环稳定性差的难题，研究人员通过磷掺杂调控Cu2MoS4纳米管的价态（Mo4+/Mo6+、Cu+/Cu2+），实现动态表面重构。该催化剂在ORR中Mo4+作为电子供体，OER中Mo6+作为电子受体，Cu2+稳定结构，最终获得高容量（13731 mAh g-1）和长循环寿命（155圈），为高效能源转换提供新策略。

　　

论文解读

研究背景与挑战
锂-氧电池（LOBs）因其理论能量密度（3500 Wh kg^-1）远超商用锂离子电池，被视为下一代储能技术。然而，绝缘性放电产物Li₂O₂导致的高过电位和循环性能差，严重阻碍其商业化。传统液态氧化还原介质虽可降低过电位，但存在分解和穿梭效应问题。因此，开发具有动态表面重构能力的固态电催化剂，成为突破LOBs性能瓶颈的关键。

研究设计与技术方法
研究人员通过水热-退火法合成磷掺杂层级空心Cu₂MoS₄纳米管（P-CMS），利用X射线光电子能谱（XPS）和电化学测试分析价态变化与催化性能。关键步骤包括：（1）Cu₂O与(NH₄)₂MoS₄水热反应；（2）NaH₂PO₂退火实现磷掺杂；（3）调控Mo/Cu价态比例以优化ORR/OER双功能活性。

研究结果

1. 材料制备与结构表征
   P原子取代部分S原子，诱导Mo价态从+4/+5向+6转变，同时提高Cu²⁺比例（图2a）。空心纳米管结构提供丰富的质量扩散通道。

2. 电催化机制

• ORR阶段：Mo⁴⁺作为电子供体促进O₂还原，反应中Mo⁴⁺/Mo⁵⁺逐步氧化为Mo⁶⁺。
• OER阶段：Mo⁶⁺作为电子受体加速Li₂O₂分解，Cu²⁺维持结构稳定性并防止铜溶解。

1. 电池性能
   P-CMS阴极在1000 mAh g^-1固定容量下实现155次循环，峰值容量达13731 mAh g^-1，过电位降低至500 mA g^-1。

结论与意义
该研究通过磷掺杂实现Cu₂MoS₄的价态动态重构，提出“电子供体-受体”协同机制（Mo⁴⁺/Mo⁶⁺）和结构稳定策略（Cu²⁺），为设计高效LOBs催化剂提供新范式。论文发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》，不仅推动能源转换材料发展，也为多价态电催化剂设计奠定理论基础。