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新型計算模型篩選Mxenes—找尋高效硫正極還原催化劑

來源：時間：2023-06-28 09:18:13 瀏覽：1869次

第一作者：Min Fang

通訊作者：任吉昌教授、李爽教授和劉偉教授

通訊單位：南京理工大學

DOI: 10.1021/jacs.3c01834

研究背景

鋰-硫（Li-S）電池具有高能量密度和環(huán)境友好等特點，有望成為下一代儲能器件。然而，Li-S電池的實際應用嚴重制約于硫正極高的絕緣性、可溶性多硫化鋰（LiPSs）的擴散-穿梭以及硫還原反應（SRR）動力學緩慢等問題。

研究表明，調(diào)諧MXenes的表面終端和亞表面過渡金屬可以獲得具有獨特化學活性的表面位點，從而對硫正極還原產(chǎn)生不同的催化活性。通過高通量實驗或密度泛函理論（DFT）計算來尋找優(yōu)化的MXenes催化劑既耗時又昂貴。因此，構建一種精準的篩選模型去準確預測Mxenes家族中潛在的SRR催化劑是一項挑戰(zhàn)。

基于此，南京理工大學的劉偉教授、李爽教授和任吉昌教授等人報道了一種新型模型來研究Mxenes對SRR的催化活性，構建了Mxenes表面特性和SRR反應Gibbs自由能之間的關系，從而為快速準確地探索MXene基硫正極催化劑提供可能。

文章要點

要點一：基于Mxene表面終端的p帶中心（ε_p）和亞表面過渡金屬的電負性（χ_p），構建了一種高效且簡單的理論模型用于研究MXenes的表面局部化學環(huán)境與Li-S電池中SRR限速步驟之間的關系。

要點二：利用該模型篩選出四種可能具有高翠花活性的MXenes材料（Sc₂CS₂、Ti₂CS₂、Mo₂CS₂和W₂CS₂），并通過對比DFT計算中Gibbs自由能差的結果證實了模型的準確性。該工作提供的預測模型使用簡單的電子描述符而非昂貴的量子化學計算，為預測硫正極還原催化劑提供了新的思路和理論基礎。