氮掺杂空心碳纳米笼中ZnSe-MoSe2异质结的阶梯式调控策略助力锂硫电池多硫化物高效转化

锂硫电池（Li-S）因多硫化物（LIPSs）的穿梭效应和缓慢的氧化还原动力学严重制约其商业化应用。针对单功能催化剂难以匹配多步相变反应的难题，研究人员开发了ZnSe/MoSe2@NC异质结修饰剂，通过阶梯式催化液-液和液-固转化过程，结合内置电场（BIEF）促进电子/离子传输，实现了1411 mAh g-1的高容量和1200次循环稳定性，为高能量密度储能器件设计提供了新思路。

　　

锂硫电池（Li-S batteries, LSBs）因其高达1675 mAh g^-1的理论比容量和硫的低成本特性，被视为下一代高能量密度储能技术的希望之星。然而，可溶性多硫化物（Li₂S_n, 4 < n ≤ 8）的“穿梭效应”和缓慢的液-固转化动力学，如同两只拦路虎，严重阻碍了其实际应用。传统单功能催化剂如同“单腿走路”，难以兼顾多硫化物转化链中不同阶段的差异化需求——既要强力锚定长链多硫化物，又需高效催化绝缘态Li₂S的沉积/解离。更棘手的是，多硫化物中间体（如S₄^2-）在活性位点的堆积会阻塞催化界面，形成“交通拥堵”。

针对这一难题，中国的研究团队创新性地提出“异质结阶梯式催化”策略，设计出ZnSe/MoSe₂@NC复合修饰材料。该工作通过“预组装-硒化”两步法，将ZnSe与MoSe₂异质结精准嵌入氮掺杂空心碳纳米笼（NC）中，构建了多界面协同的催化体系。密度泛函理论（DFT）计算揭示，ZnSe通过缩短Li-S键距（2.54 ?→2.67 ?）显著降低长链多硫化物转化能垒（-7.09 eV吸附能），而MoSe₂的二维层状结构则像“双向收费站”，既加速Li₂S成核（0.32 eV能垒），又促进其分解（1.12 eV能垒）。更有趣的是，异质界面处的内置电场（BIEF）如同“电子高速公路”，驱动多硫化物中间体从ZnSe向MoSe₂定向迁移，解决了传统催化剂活性位点“堵塞”的痛点。

关键实验方法
研究采用羧基化聚苯乙烯（PS）模板法构建空心结构，通过ZIF-8原位生长和钼酸铵共沉淀实现金属前驱体负载，经硒化处理获得异质结。结合原位拉曼光谱追踪多硫化物转化路径，同步辐射X射线吸收谱（XAS）解析电子结构，电化学阻抗谱（EIS）评估离子传输性能。

结果与发现

1. 材料设计：透射电镜（TEM）显示300 nm空心笼结构，高角环形暗场像（HAADF）证实ZnSe与MoSe₂的原子级界面融合，异质界面占比达68%。
2. 机理验证：原位拉曼捕捉到S₈→Li₂S₆→Li₂S₄→Li₂S的阶梯转化过程，BIEF使S₄^2-迁移速率提升3倍。
3. 性能突破：在7.9 mg cm^-2高硫载量下，电池实现8.6 mAh cm^-2的面容量，5 C倍率时仍保持580 mAh g^-1容量，远超单组分催化剂体系。

结论与展望
该研究发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》，首次提出“阶梯式催化-定向迁移”协同机制，为多步相变反应催化剂设计提供了范式。未来通过调控异质界面密度，有望进一步突破高载硫条件下的循环稳定性瓶颈，推动锂硫电池产业化进程。