多金属氧酸盐（POMs）是一类具有可逆多电子氧化还原能力的离散分子无机金属氧化物簇合物。因此，利用其氧化还原特性，其有望作为双向分子催化剂直接应用于锂离子电池（Li−S，LSB）体系中。

有鉴于此，扬州大学刁国旺教授，倪鲁彬副教授，清华大学魏永革教授报道了提出了一种基于Keggin型 H₃PW₁₂O₄₀（PW₁₂）的聚甲醛基硫基质材料，PW₁₂嵌入到3D rGO−CNT导电基体（rGO−CNT/PW₁₂），可以显著提高Li−S电池的整体性能。

文章要点

1）首先多壁碳纳米管（MWCNTs）在GO两亲性溶液中分散良好，并通过π−π相互作用吸附在GO表面。然后，在充分搅拌的条件下，将PW₁₂加入CNT混合溶液中，诱导形成均一的rGO−CNT/PW₁₂胶体悬浮液。然后，采用一锅水热法制备了自组装的rGO−CNT/PW₁₂杂化水凝胶，同时将GO还原为氧化石墨烯（rGO）。最后，通过静电相互作用将POMs团簇有效地固定在rGO−CNT支架表面。

2）研究人员通过光谱和原位电化学表征，并结合密度泛函理论（DFT）计算，在分子水平上阐明了POM团簇在LSBs中的真实催化性质和催化机理。与传统的通过物理/化学吸附“被动”限制多硫化物穿梭效应的方法相比，POMs在充放电循环过程中可以“正向”催化多硫化锂还原和硫化锂氧化，从而加速Li−S氧化还原反应动力学。

3）实验结果显示，rGO−CNT/PW₁₂@S正极材料具有较高的首次放电容量（0.1 C下为1425 mAh g⁻¹）、优异的倍率性能（5.0C下为573 mAh g⁻¹）和良好的循环稳定性（3.0 C下1000次循环后容量衰减率为0.038%）。此外，开发的软包电池和杯状电池在高硫负荷（分别为4.0和6.5 mg cm^-2）下仍可获得良好的电化学性能。

总之，本研究不仅揭示了POM基Li−S电池背后难以捉摸的机理，而且为设计低成本、高能量、长寿命的Li−S电池提供了一条合理的途径。

参考文献

Lubin Ni, et al, Self-Assembled Polyoxometalate Nanodots as Bidirectional Cluster Catalysts for Polysulfide/Sulfide Redox Conversion in Lithium−Sulfur Batteries, ACS Nano, 2021

DOI：10.1021/acsnano.1c03852

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c03852