First-principles Study on the Catalytic Effect of Co，P co-Doped MoS2 in Lithium-sulfur Batteries

doi:10.7503/cjcu20210110

Abstract

Abstract:

In lithium-sulfur batteries， metal compound catalytic materials enhance the electrochemical redox reaction kinetics， fundamentally prevent the shuttle effect of polysulfides， and improve the electrochemical performance. MoS₂ material has received widespread attention due to the affinity for polysulfides and catalytic ability. However， the base surface that occupies most of the reaction interface exhibits weaker catalytic activity than the few edge sites. The Co， P co-doping strategy was used for the first time to modify MoS₂ material as cathode material in lithium-sulfur battery. Compared with undoped and Co single-doped materials， it achieves excellent discharge capacity， rate performance and cycling stability. To explore the origin of Co， P co-doping MoS₂ to improve the electrochemical performance of lithium-sulfur batteries， the first-principles research was carried out， clarifying the adsorption and conversion of polysulfides on the surface of undoped， Co single-doped， Co， P co-doped MoS₂. The calculation results indicate that the adsorption energy shows the trend of undoped <Co single doped <Co， P co-doped MoS₂. The Li—S and S—P double bonding between the co-doped surface and polysulfides make Co， P co-doped MoS₂ have the greatest adsorption capacity. Additionally， the significant stabilizing effect for discharge product Li₂S reduces the energy requirement of the dissociation step and increases the overall energy release during the conversion process， providing driving forces for the polysulfide conversion. These two factors jointly enhance the catalytic activity of MoS₂， effectively inhibit the shuttle effect， and improve the electrochemical performance of the battery. It is hoped that the conclusion could promote the application of surface modified metal sulfide catalytic materials in lithium-sulfur batteries.

Key words: MoS₂, Doping, Catalysis, Lithium-sulfur battery, First-principle

CLC Number:

O646

TrendMD:

CHEN Mingsu, ZHANG Huiru, ZHANG Qi, LIU Jiaqin, WU Yucheng. First-principles Study on the Catalytic Effect of Co，P co-Doped MoS₂ in Lithium-sulfur Batteries[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(8): 2540.

Figures/Tables 8

References 43

1	Peng H. J.， Huang J. Q.， Cheng X. B.， Zhang Q.， Adv. Energy Mater.，2017， 7（24）， 1700260
2	Lei J.， Liu T.， Chen J. J.， Zheng M. S.， Zhang Q.， Mao B. W.， Dong Q. F.， Chem， 2020， 6（10）， 2533—2557
3	Fang R. P.， Zhao S. Y.， Sun Z. H.， Wang D. W.， Cheng H. M.， Li F.， Adv. Mater.，2017， 29（48）， 1606823
4	Wang Y. Z.， Huang X. X.， Zhang S. Q.， Hou Y. L.， Small Methods，2018， 2（6）， 1700345
5	Liu D. H.， Zhang C.， Zhou G. M.， Lv W.， Ling G. W.， Zhi L. J.， Yang Q. H.， Adv. Sci.，2018， 5（1）， 1700270
6	Ren W. C.， Ma W.， Zhang S. F.， Tang B. T.， Energy Storage Mater.， 2019， 23， 707—732
7	Xu Z. L.， Kim J. K.， Kang K.， Nano Today， 2018， 19， 84—107
8	Wang H.， Shao Y.， Mei S. L.， Lu Y.， Zhang M.， Sun J. K.， Matyjaszewski K.， Antonietti M.， Yuan J. Y.， Chem. Rev.， 2020， 120（17）， 9363—9419
9	Wang X.， Liu Y. J.， Jia Y. F.， Ji L.， Hu Q. L.， Duan L. M.， Liu J. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（4）， 829—837（王霞，刘彦吉，贾永锋，吉磊，胡全丽，段莉梅，刘景海. 高等学校化学学报， 2020， 41（4）， 829—837）
10	Wang J.， Sun X. G.， Chen W.， Li X.， Huang Y. P.， Wei C. C.， Hu H.， Liang G. D.， Chem. J. Chinese Universities， 2018， 39（8）， 1782—1789（王杰，孙晓刚，陈玮，李旭，黄雅盼，魏成成，胡浩，梁国东. 高等学校化学学报， 2018， 39（8）， 1782—1789）
11	Wang H. Q.， Zhang W. C.， Xu J. Z.， Guo Z. P.， Adv. Funct. Mater.， 2018， 28（38）， 1707520
12	Liu X.， Huang J. Q.， Zhang Q.， Mai L. Q.， Adv. Mater.， 2017， 29（20）， 1601759
13	Xiao Z. B.， Li Z. L.， Meng X. P.， Wang R. H.， J. Mater. Chem. A， 2019， 7（40）， 22730
14	Guan Y. B.， Li W. L.， Xie X. Y.， Qu W.， Shen J. R.， Fu K.， Guo C. J.， Zhou S. Q.， Fan H. J.， Chu Y. J.， Chen R. J.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（3）， 536—541（官亦标，李万隆，谢潇怡，曲薇，沈进冉，傅凯，郭翠静，周淑琴，范红家，褚永金，陈人杰. 高等学校化学学报， 2019， 40（3）， 536—541）
15	Li X.， Chen L.， Ma X. T.， Zhang D.， Xu S. D.， Zhou X. X.， Duan D. H.， Liu S. B.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（9）， 1972—1978（李新，陈良，马晓涛，张鼎，徐守冬，周娴娴，段东红，刘世斌. 高等学校化学学报， 2019， 40（9）， 1972—1978）
16	Wu T.， Cong L. N.， Sun L. Q.， Xie H. M.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（7）， 1661—1669（吴桐，丛丽娜，孙立群，谢海明. 高等学校化学学报， 2020， 41（7）， 1661—1669）
17	Yun Q. B.， Li L. X.， Hu Z. N.， Lu Q. P.， Chen B.， Zhang H.， Adv. Mater.， 2020， 32（1）， 1903826
18	Lu C.， Fang R. Y.， Chen X.， Adv. Mater.， 2020， 32（16）， 1906548
19	Cong L. N.， Xie H. M.， Li J. H.， Adv. Energy Mater.， 2017， 7（12）， 1601906
20	Li B. Y.， Su Q. M.， Yu L. T.， Zhang J.， Du G. H.， Wang D.， Han D.， Zhang M.， Ding S. K.， Xu B. S.， ACS Nano， 2020， 14（12）， 17285—17294
21	Yu B.， Chen Y. F.， Wang Z. G.， Chen D. J.， Wang X. Q.， Zhang W. L.， He J. R， He W. D.， J. PowerSources， 2020，447， 227364
22	You Y.， Ye Y. W.， Wei M. L.， Sun W. J.， Tang Q.， Zhang J.， Chen X.， Li H. Q.， Xu J.， Chem. Eng. J.， 2019， 355， 671—678
23	Zhang Y. L.， Mu Z. J.， Yang C.， Xu Z. K.， Zhang S.， Zhang X. Y.， Li Y. J.， Lai J. P.， Sun Z. H.， Yang Y.， Chao Y. G.， Li C. J.， Ge X. X.， Yang W. X.， Guo S. J.， Adv. Funct. Mater.， 2018， 28（38）， 1707578
24	Cha E.， Patel D. M.， Park J.， Hwang J.， Prasad V.， Cho K.， Choi W.， Nature Nanotech.， 2018， 13， 337—344
25	Tan L.， Li X. H.， Wang Z. X.， Guo H. J.， Wang J. X.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10， 3707—3713
26	Pan Y. L.， Gong L. L.， Cheng X. D.， Zhou Y.， Fu Y. B.， Feng J.， Ahmed H.， Zhang H. P.， ACS Nano， 2020， 14（5）， 5917—5925
27	Ghazi Z. A.， He X.， Khattak A. M.， Khan N. A.， Liang B.， Iqbal A.， Wang J. X.， Sin H.， Li L. S.， Tang Z. Y.， Adv. Mater.， 2017， 29（21）， 1606817
28	Hu L. Y.， Dai C. L.， Lim J. M.， Chen Y. M.， Lian X.， Wang M. Q.， Li Y.， Xiao P. H.， Henkelman G.， Xu M. W.， Chem. Sci.， 2018， 9（3）， 666—675
29	He J. R.， Hartmann G.， Lee M.， Hwang G. S.， Chen Y. F.， Manthiram A.， Energy Environ. Sci.，2019， 12（1）， 344—350
30	Wang H. T.， Zhang Q. F.， Yao H. B.， Liang Z.， Lee H. W.， Hsu P. C.， Zheng G. Y.， Cui Y.， Nano Lett.， 2014， 14（12）， 7138—7144
31	Lin H. B.， Yang L. Q.， Jiang X.， Li G. C.， Zhang T. R.， Yao Q. F.， Zheng G. W.， Lee J. Y.， Energy Environ. Sci.， 2017， 10（6）， 1476—1486
32	Zhang Q.， Zhang X. F.， Li M.， Liu J. Q.， Wu Y. C.， Appl. Surf. Sci.， 2019， 487， 452—463
33	Lin H. B.， Zhang S. L.， Zhang T. R.， Ye H. L.， Yao Q. F.， Zheng G. W.， Lee J. Y.， Adv. Energy Mater.， 2019， 9（38）， 1902096
34	Delley B.， J. Chem. Phys.， 1990， 92（1）， 508—517
35	Delley B.， J. Chem. Phys.， 2000， 113（18）， 7756—7764
36	Perdew J. P.， Wang Y.， Phys. Rev. B， 1992，45， 13244—13249
37	Perdew J. P.， Chevary J.， A.， Vosko S. H.， Jackson K. A.， Pederson M. R.， Singh D. J.， Fiolhais C.， Phys. Rev. B， 1992，46， 6671—6687
38	Inada Y.， Orita H.， J. Comput. Chem.， 2008， 29， 225—232
39	Hay P. J.， Wadt W. R.， J. Chem. Phys.， 1985， 82（1）， 299—310
40	Monkhorst H. J.， Pack J. D.， Phys. Rev. B， 1976， 13（12）， 5188—5192
41	Mak K. F.， Lee C. G.， Hone J.， Shan J.， Heinz T. F.， Phys. Rev. Lett.， 2010， 105， 136805
42	Tsai C.， Chan K.， Pedersenb F.， Nørskov J. K.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2014， 16， 13156—13164
43	Chen S. Q.， Huang X. D.， Liu H.， Sun B.， Yeoh W. K.， Li K. F.， Zhang J. Q.， Wang G. X.， Adv. EnergyMater.， 2014， 4（8）， 1301761

[1]	TENG Zhenyuan, ZHANG Qitao, SU Chenliang. Charge Separation and Surface Reaction Mechanisms for Polymeric Single-atom Photocatalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220325.
[2]	YANG Jingyi, SHI Siqi, PENG Huaitao, YANG Qihao, CHEN Liang. Integration of Atomically Dispersed Ga Sites with C₃N₄ Nanosheets for Efficient Photo-driven CO₂ Cycloaddition [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220349.
[3]	WANG Ruyue, WEI Hehe, HUANG Kai, WU Hui. Freezing Synthesis for Single Atom Materials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220428.
[4]	WANG Xintian, LI Pan, CAO Yue, HONG Wenhao, GENG Zhongxuan, AN Zhiyang, WANG Haoyu, WANG Hua, SUN Bin, ZHU Wenlei, ZHOU Yang. Techno-economic Analysis and Industrial Application Prospects of Single-atom Materials in CO₂ Catalysis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220347.
[5]	YANG Jingyi, LI Qinghe, QIAO Botao. Synergistic Catalysis Between Ir Single Atoms and Nanoparticles for N₂O Decomposition [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220388.
[6]	LIN Gaoxin, WANG Jiacheng. Progress and Perspective on Molybdenum Disulfide with Single-atom Doping Toward Hydrogen Evolution [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220321.
[7]	WANG Sicong, PANG Beibei, LIU Xiaokang, DING Tao, YAO Tao. Application of XAFS Technique in Single-atom Electrocatalysis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220487.
[8]	TANG Quanjun, LIU Yingxin, MENG Rongwei, ZHANG Ruotian, LING Guowei, ZHANG Chen. Application of Single-atom Catalysis in Marine Energy [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220324.
[9]	QIN Yongji, LUO Jun. Applications of Single-atom Catalysts in CO₂ Conversion [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220300.
[10]	YAO Qing, YU Zhiyong, HUANG Xiaoqing. Progress in Synthesis and Energy-related Electrocatalysis of Single-atom Catalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220323.
[11]	LIN Zhi, PENG Zhiming, HE Weiqing, SHEN Shaohua. Single-atom and Cluster Photocatalysis： Competition and Cooperation [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220312.
[12]	CHENG Qian, YANG Bolong, WU Wenyi, XIANG Zhonghua. S-doped Fe-N-C as Catalysts for Highly Reactive Oxygen Reduction Reactions [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220341.
[13]	HAN Fuchao, LI Fujin, CHEN Liang, HE Leiyi, JIANG Yunan, XU Shoudong, ZHANG Ding, QI Lu. Enhance of CoSe₂/C Composites Modified Separator on Electrochemical Performance of Li-S Batteries at High Sulfur Loading [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(8): 20220163.
[14]	HUANG Qiuhong, LI Wenjun, LI Xin. Organocatalytic Enantioselective Mannich-type Addition of 5H-Oxazol-4-ones to Isatin Derived Ketimines [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(8): 20220131.
[15]	TAN Yan, YU Shen, LYU Jiamin, LIU Zhan, SUN Minghui, CHEN Lihua, SU Baolian. Efficient Preparation of Mesoporous γ-Al₂O₃ Microspheres and Performance of Pd-loaded Catalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(8): 20220133.

First-principles Study on the Catalytic Effect of Co，P co-Doped MoS₂ in Lithium-sulfur Batteries

RichHTML

PDF (PC)

Supplement

Knowledge

Abstract

Cite this article

share this article

Figures/Tables 8

References 43

Related Articles 15

Recommended Articles

Metrics

Comments