利用功能化微孔碳催化剂（MPC-Cu）协同加速室温钠硫（RT Na–S）电池中硫氧化还原动力学

本研究通过Cu-MOF衍生微孔碳（MPC-Cu）设计，创新性地引入羧基（–COOH）和酰胺基（–CONH2）功能团，协同解决了RT Na–S电池中多硫化钠（Na2S?）的穿梭效应和氧化还原动力学缓慢问题。该材料凭借0.5–0.8 nm微孔结构有效限制S2–4分子，并结合DFT计算证实–COOH增强吸附与Na+扩散（10?9–10?11 cm2 s?1），–CONH2将Na2S氧化势垒从1.16 eV降至0.70 eV，最终实现高容量（571.5 mAh g?1）和长循环稳定性（1000圈容量保持率83%）。

　　

Results and discussion

S/MPC-Cu的制备流程如图1a所示。通过4,4′-联吡啶（BPD）与Cu²⁺在水/乙醇溶液中的快速配位反应，并加入F127作为分散剂，形成Cu-MOF前体。X射线衍射（XRD）显示其晶粒尺寸为22.9 nm（Scherrer方程计算）。在碳化过程中，Cu物种从有机骨架中分离并催化石墨化，形成高度多孔的碳结构。酸洗去除金属后，得到富含–COOH和–CONH₂的微孔碳（MPC-Cu）。

该材料的孔径集中在0.5–0.8 nm，可有效物理限域小尺寸S_2–4分子，避免长链多硫化钠（Na₂S?, 4 < n ≤ 8）的穿梭。通过XPS和FTIR证实了–COOH和–CONH₂官能团的存在（图2b-c）。DFT计算表明，–COOH与Na₂S₄的结合能达-1.51 eV，显著增强吸附能力，同时促进Na⁺扩散（扩散系数10^?9–10^?11 cm² s^?1）。而–CONH₂基团通过降低Na₂S分解能垒（从1.16 eV降至0.70 eV），加速氧化还原动力学。

电化学测试中，S/MPC-Cu阴极在2 A g^?1下循环1000次后仍保持83%容量（571.5 mAh g^?1），在5 A g^?1高倍率下容量达504.1 mAh g^?1，显著优于未功能化材料。同步辐射和原位光谱进一步验证了多硫化物的快速转化路径及钠离子迁移机制。

Conclusion

本研究通过Cu-MOF前体的一步退火策略，成功制备出兼具–CONH₂和–COOH官能团的微孔碳（MPC-Cu）。其亚纳米孔径（0.5–0.8 nm）与双功能表面化学的协同作用，有效抑制多硫化物穿梭并加速反应动力学，为高性能室温钠硫电池的阴极设计提供了新思路。