我们在闪光焦耳热制备异质结构催化剂抑制锂硫电池的穿梭效应研究中取得重要进展，相关文章“Flash Joule Heating: A Promising Method for Preparing Heterostructure Catalysts to Inhibit Polysulfide Shuttling in Li–S Batteries”发表在Advanced Science.

1、背景介绍：

锂硫（Li-S）电池具有理论能量密度高、价格低廉等优势，是极具应用潜力的下一代电化学储能器件，得到了研究者的广泛关注。然而，充放电中间产物多硫化锂（LiPSs）极易溶于有机电解液中，并在浓度梯度下引起“穿梭效应”，导致硫活性物质利用率低，负极腐蚀，循环寿命短，严重阻碍了Li-S电池的商业化进程。研究表明，通过构建高活性催化剂，加速LiPSs向充放电产物转化，避免其在电解液中累积，是抑制穿梭效应的有效策略。本篇工作利用闪光焦耳热的方法制备出W-W₂C/G等异质结构催化剂，由于W（5.08 eV）和W₂C（6.31 eV）的功函数不同，在异质结构界面产生一个自发的内电场，加速了电子和离子的移动，从而促进了硫还原反应（SRR）过程，有效的抑制了穿梭效应。

2、成果简介：

本研究采用一步超快闪光焦耳加热的方法在石墨烯衬底上合成了 W-W₂C 异质结构(W-W₂C/G)作为催化中间层。在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Flash Joule Heating: A Promising Method for Preparing Heterostructure Catalysts to Inhibit Polysulfide Shuttling in Li–S Batteries”的研究性论文。该论文重点介绍了超快焦耳热制备异质结构催化剂的优势，异质结构界面产生的内电场加快了LiPSs的转化，有效抑制了穿梭效应。该研究为设计有效的催化剂来提高多硫化物的转化率提供了新的可能性。

3、图文导读：

要点一：闪光焦耳热制备异质结构催化剂

采用闪光焦耳热法合成了W-W₂C/G、Mo-Mo₂C等异质结构催化剂，且该方法具有普适性，可以实现大规模异质结构催化剂的快速原位合成。超快的加热/冷却过程和较短的生长时间促进了异质结构催化剂纳米颗粒的均匀分散，形成了大量的异质结构界面，有效防止了聚集引起的催化活性衰减。

图1. W-W₂C/G异质结构加速LiPSs转化示意图及材料表征

图2.电催化作用

要点二：W-W₂C/G异质结构优异的催化活性

密度泛函理论（DFT）计算表明，W（5.08eV）的功函数小于W₂C（6.31 eV），驱动电子从W流到W₂C，从而在界面上产生一个自发的内电场，产生的内电场可以加速电子转移和离子扩散。这种结构优化了W-W₂C异质结构的界面电子态，增强了LiPSs的吸附和转化过程，从而有效地抑制了LiPSs的穿梭。电化学实验结果表明，W-W₂C异质结构催化剂降低了硫还原反应的活化能和充放电的过电位；多硫的穿梭系数从0.14降低到0.08 h^-1，大大提高了硫活性物质的利用效率。

图3.理论计算

图4.通过原位拉曼证明抑制多硫化物穿梭

要点三：优异的电化学性能

得益于W-W₂C异质结构的高效催化活性，Li-S电池表现出优异的倍率性能（665 mAh g⁻¹， 5.0 C），并可以在3.0 C的高倍率下稳定循环1000圈以上，平均每圈容量衰减率只有0.06 %。此外，电池可以在高硫载量（7.9 mg cm^-2）和贫电解液用量（9.0 μL mg^-1）下获得高达10.9 mAh cm^-2（1381.4 mAh g^-1）的首圈面容量，在0.2 C下稳定循环100圈后，容量保持率仍有80.6 %。

图5.电化学性能

最后，作者进行了总结与展望。本研究介绍了一种利用超快闪蒸焦耳热技术合成异质结构催化剂的通用方法，并检验了它们作为Li-S电池催化中间层的有效性。包括原位拉曼性能和理论计算在内的一系列实验测量验证了W-W₂C异质结构对LiPSs具有较高的吸附能力，并在异质结构界面处产生内部电场，保证了快速的电荷转移，大大抑制了LiPSs的穿梭效应，增强了SRR动力学，提高了电化学性能。该工作为设计高性能锂硫电池的实用电催化剂提供了新的策略。