多功能W,N共掺杂纳米多孔碳助力高性能锂硫电池的突破性进展

锂硫电池(LSBs)因其超高理论能量密度被视为下一代储能技术，但面临正极导电性差、多硫化物穿梭效应和锂枝晶生长等挑战。本研究通过设计钨/氮共掺杂纳米多孔碳(W,N-C)材料，实现了对多硫化物的化学吸附锚定、Li+传输加速和氧化还原催化三重功能协同，使W,N-C-5/S正极在1 C倍率下循环500次后仍保持771.7 mAh g?1的可逆容量，为高能量密度储能器件开发提供了新思路。

　　

随着化石能源过度使用引发的环境危机加剧，开发清洁能源存储技术成为全球焦点。锂硫电池(LSBs)凭借高达2567 Wh kg^?1的理论能量密度脱颖而出，但实际应用中却遭遇三重困境：绝缘性硫正极导致电荷传输阻塞、可溶性多硫化物(LiPSs)的穿梭效应造成活性物质流失，以及锂负极枝晶生长引发的安全隐患。这些瓶颈严重制约了其商业化进程，亟需开发兼具导电性、吸附性和催化性的新型宿主材料。

四川省中医药科学院的研究团队创新性地利用苎麻纺织工业废液作为碳氮源，通过冷冻干燥和煅烧工艺制备出三维纳米多孔W,N共掺杂碳材料(W,N-C)。这种材料独特的空心结构不仅能容纳高硫负载，其丰富的W-N₄活性位点更可化学锚定LiPSs并催化其快速转化。相关成果发表在《Nano Materials Science》上，为解决LSBs的核心难题提供了"一石三鸟"的解决方案。

研究采用冷冻干燥-高温碳化法制备材料，通过X射线光电子能谱(XPS)和透射电镜(TEM)表征元素分布，结合密度泛函理论(DFT)计算吸附能，并组装对称电池评估催化性能。电化学测试采用恒流充放电和循环伏安法(CV)，通过Li₂S成核实验验证转化动力学。

【材料合成与表征】
通过调控钨酸浓度制备的W,N-C-5材料展现出最佳孔隙结构，XPS证实其含有6.43%氮和0.90%钨，W-N键的存在为化学吸附提供活性位点。氮吸附测试显示材料具有分级多孔结构，比表面积达512 m² g^?1，TEM元素映射显示各组分均匀分布。

【电化学性能】
W,N-C-5/S正极在0.2 C下展现1359.6 mAh g^?1的初始容量，2 C高倍率下仍保持853 mAh g^?1。特别在1 C循环500次后，容量保持率达81.7%，每圈衰减仅0.037%，显著优于纯氮掺杂对照样。高硫负载(4 mg cm^?2)下仍保持717.8 mAh g^?1的可逆容量。

【机理验证】
DFT计算显示W,N-C对Li₂S₈的吸附能(-3.42 eV)比N-C(-1.56 eV)更强。UV-vis光谱证实W,N-C-5可使Li₂S₆溶液完全褪色，XPS显示吸附后W-N键结合能正移，证明电子转移。Gibbs自由能计算表明W,N-C将Li₂S₂→Li₂S的能垒从2.16 eV降至0.33 eV。

【实际应用效果】
循环后锂负极形貌观察显示，W,N-C-5组锂金属表面光滑，枝晶生长显著抑制。这得益于材料对LiPSs的有效固定，减少了其对锂负极的腐蚀。

该研究通过精准设计W,N共掺杂碳材料，同步解决了LSBs的导电性差、穿梭效应和反应动力学缓慢三大难题。材料中钨-氮协同作用形成的极性界面不仅强力锚定多硫化物，更通过降低Li₂S成核能垒加速转化反应。这种"吸附-催化"双功能机制为开发高能量密度储能器件提供了新范式，其利用工业废液作为原料的策略更彰显出显著的环保价值和经济可行性。研究结果对推动锂硫电池商业化进程具有重要指导意义。