硫化氢牵手石墨烯:环境治理与锂硫电池新进展

科学的发展常常带给人们新的惊喜。“刺鼻的硫化氢为高性能锂硫电池的规模化发展带来了新的机遇?”一边是具有刺鼻气味的有毒工业废气,一边是处于科学研究前沿的新型储能器件锂硫电池,貌似风马牛不相及的两个概念近日走到了一起,为两者牵线搭桥的“红娘”,则是科学界和产业界炙手可热的明星——石墨烯。

能源与环境问题是全世界共同关注的重要课题,构建具有高能量密度和功率密度的绿色储能体系与有效处理并高效利用工业废气都是各国关注的焦点,电化学储能器件的发展为两者提供了共同发展的平台。锂硫电池由于其高的能量密度(3-5倍于锂离子电池)从众多新型电化学系统中脱颖而出,同时其正极材料硫具有储量丰富、无毒、廉价等特点而倍受关注。然而锂硫电池的实际性能发挥受到诸多因素的制约,例如硫的低导电率,充放电过程中的穿梭效应造成活性物质利用率低,材料的体积膨胀等。新型碳基材料的不断涌现为锂硫电池的发展带来了曙光,将硫与具有高导电性和多孔结构的碳纳米材料进行复合,能够大幅提升锂硫电池的性能。石墨烯作为一种单层碳原子二维材料,具有优异的导电性、高的比表面积和二维柔性结构,与硫形成复合材料可有效提高锂硫电池的性能。但是目前石墨烯基锂硫电池电极材料的制备过程相对复杂,通常需要涉及氧化石墨烯的还原和硫的均匀负载过程,限制了锂硫电池的规模化应用。

近日,杨全红教授课题组将环境治理和储能器件研究有机结合起来。他们成功地利用高浓度的工业废气硫化氢高效还原了氧化石墨烯,将绝缘的氧化石墨烯转化为导电的石墨烯,并同步实现了硫在石墨烯上的均匀负载。所得材料作为锂硫电池正极材料显示出良好的电化学性能

作为煤化工、电厂等产业的重要工业废气,硫化氢是含硫量最高的化合物(质量分数达94%),是获得硫单质的理想原料,若能将硫化氢中的硫回收并加以利用,将实现化学反应的原子经济性。因此对硫化氢的高效回收、变废为宝一直以来都引发产业界和科学界的极大兴趣。从材料的表面化学出发,将硫化氢作为新型还原剂和理想的硫源,利用硫化氢和氧化石墨烯之间快速的氧化还原反应,得到了具有良好导电网络的石墨烯/硫复合材料。该方法一举三得:其一、高效回收有毒工业废气硫化氢,将其94%的质量转化为硫单质;其二、实现了氧化石墨烯的快速还原;其三、获得了高性能锂硫电池电极材料。石墨烯与硫的紧密作用能够有效限制多硫化物的穿梭效应,并解决硫的低导电率、充放电过程中材料体积膨胀等限制锂硫电池发展的瓶颈。作为锂硫电池的正极材料,在高倍率下还能保持良好的充放电性能,展现出良好的应用前景,实现了环境污染控制和新能源领域的有机结合。该研究操作简便、原料来源广泛,有望成为锂硫电池的大规模生产和发展的有效途径。