【摘 要】
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多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应限制了锂硫（Li-S）电池的商业化。引入高效的催化剂来加快LiPSs转化的反应动力学是抑制LiPSs穿梭效应的有效方法。本论文将含有Fe Nx结构的仿生催化剂引入硫正极以加快LiPSs的转化,主要研究内容如下:（1）设计开发了一种酞菁铁（FePc）和八氟萘（OFN）功能化的石墨烯（Gh/FePc+OFN）,将其作为仿生催化剂引入Li-S电池正极。引入Gh/FePc+
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多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应限制了锂硫（Li-S）电池的商业化。引入高效的催化剂来加快LiPSs转化的反应动力学是抑制LiPSs穿梭效应的有效方法。本论文将含有Fe Nx结构的仿生催化剂引入硫正极以加快LiPSs的转化,主要研究内容如下:（1）设计开发了一种酞菁铁（FePc）和八氟萘（OFN）功能化的石墨烯（Gh/FePc+OFN）,将其作为仿生催化剂引入Li-S电池正极。引入Gh/FePc+OFN催化剂的Li-S电池展示了超高的初始容量(1604 m Ah g-1)和优异的循环耐久性。一系列原位光谱、X射线光电子能谱（XPS）及密度泛函理论（DFT）被用来研究Li-S电池内部硫转化机制。结果表明,FePc通过Fe-S的配位,对长链LiPSs起到了有效的锚定和剪切作用;而OFN则通过锂键吸附Li+（LiPSs）并加速了Li2S的液-固成核和生长动力学。（2）通过缩合反应制备了血红素（Hemin）和三聚氰胺（MM）功能化的碳纳米管（[CNTs-MM-Hemin]）,将其作为仿生催化剂引入Li-S电池正极。引入[CNTs-MM-Hemin]的电池展现了极其优异的倍率性能和循环耐久性。进一步探究[CNTs-MM-Hemin]的催化机理表明,具有Fe N5活性中心的Hemin能通过Lewis酸碱相互作用（Li???N键）和配位作用（Fe-S键）来锚定LiPSs,同时显著促进长链LiPSs的转化;而MM则可以通过多重Li???N键结合Li+（LiPSs）,加速短链LiPSs转化的动力学。[CNTs-MM-Hemin]中Hemin和MM的分步催化和协同作用能在正极界面上以理想的方式实现LiPSs快速的转换/成核,从而有效地抑制了LiPSs的穿梭,显著提高了硫的利用率。综上所述,本论文针对Li-S电池中严重的穿梭效应易造成电池性能衰退这一重要界面科学问题,设计开发仿生催化剂（Gh/FePc+OFN和[CNTs-MM-Hemin]）,促成其对LiPSs的高效转化,从而很好地抑制了LiPSs的穿梭。其中,含Fe Nx结构的仿生酶分子（FePc和Hemin）对长链LiPSs具有优异的锚定能力和催化活性;而富F/N的有机小分子（OFN和MM）则可以通过锂键作用（Li???F/N）富集Li+（或LiPSs）,从而促进短链LiPSs的转化。在此基础上,利用多种原位表征技术,在电池工作状态下,对电极表面微观结构进行全面探究,从分子水平上揭示了仿生催化剂调控Li-S界面硫转化反应的机理。本论文研究工作的开展有助于深入理解电极结构、电池性能与反应机理的关系,为未来设计高效的硫转化催化材料和发展高性能的Li-S电池提供现实可行的指导方案。
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