氧空位调控的Nb2O5-x量子点限域于介孔CMK-3主客体结构协同双调控锂硫电池多硫化物氧化还原动力学

为解决锂硫电池中多硫化物(LiPSs)穿梭效应和反应动力学缓慢的问题，苏州科技大学材料科学与工程学院团队设计开发了氧空位修饰的Nb2O5-x量子点限域于CMK-3碳基体的主客体结构（Nb2O5-x@CMK-3）功能隔膜。该研究通过空间限域和缺陷工程协同作用，实现了对硫沉积/转化过程的双重调控，在4.1 mg cm?2高硫载量下获得500次循环0.057%的超低衰减率，为高性能锂硫电池多功能中间层开发提供新思路。

　　

在能源存储领域，锂硫(Li-S)电池因其高达2600 Wh kg^?1的理论能量密度和硫正极的低成本优势备受关注。然而，硫在充放电过程中80%的体积膨胀以及可溶性多硫化锂(LiPSs)的穿梭效应，严重制约着其商业化进程。更棘手的是，硫电极转化反应的缓慢动力学如同"堵车"的交通要道，进一步降低了电池的实际性能。传统碳材料虽能物理吸附LiPSs，却像漏网的鱼儿般难以彻底阻止其穿梭；而单纯的化学吸附剂又缺乏"指挥交通"的催化能力来加速反应。如何构建兼具"拦截"和"疏导"双重功能的材料体系，成为突破锂硫电池技术瓶颈的关键。

苏州科技大学材料科学与工程学院的研究人员独辟蹊径，将目光投向缺陷工程与纳米限域技术的协同效应。他们设计出氧空位(O_v)修饰的五氧化二铌(Nb₂O_5-x)量子点，并将其精准植入有序介孔碳管CMK-3的孔道中，构建出Nb₂O_5-x@CMK-3主客体结构作为功能隔膜涂层。这项发表于《Journal of Energy Storage》的研究，通过"空间囚笼"与"电子调控"的双重策略，实现了对LiPSs前所未有的精准调控。

研究团队采用溶胶-凝胶法结合碳热还原技术，在800°C氮气氛围下制备出氧空位富集的Nb₂O_5-x量子点。通过热重分析确定复合材料中Nb₂O_5-x含量达51.4 wt%。借助X射线光电子能谱和电子顺磁共振证实了氧空位的存在，结合透射电镜观察到直径约5 nm的量子点均匀分散于CMK-3的孔道中，完美解决了传统铌基材料易聚集的难题。

物理限域与化学吸附的协同效应
CMK-3的介孔管道如同精密设计的"分子筛"，其高比表面积(>1000 m² g^?1)和导电网络为LiPSs提供了物理吸附位点和快速电子传输通道。而Nb₂O_5-x量子点表面的氧空位则像"化学磁铁"，通过Nb-O-S键合作用强力锚定LiPSs。吸附实验显示，Nb₂O_5-x@CMK-3对Li₂S₆的吸附容量是纯CMK-3的2.3倍，证明氧空位显著增强了化学吸附能力。

催化转化的动力学突破
对称电池测试表明，Nb₂O_5-x@CMK-3电极的氧化还原电流响应比对照组高出一个数量级。理论计算揭示氧空位能降低Li₂S分解能垒至1.08 eV，远低于完美晶体的1.87 eV。这种"催化快车道"效应使电池在5C高倍率下仍保持935 mAh g^?1的容量，且Li₂S成核实验显示更快的沉积动力学。

卓越的电化学性能
装配Nb₂O_5-x@CMK-3隔膜的电池在4.1 mg cm^?2高硫载量下，循环500次后容量保持率达71.4%，每圈衰减仅0.057%。即使在高倍率循环后回归0.2C，容量仍能恢复至初始值的98.3%，展现出优异的稳定性。

这项研究开创性地将量子点限域效应与缺陷工程相结合，如同为锂硫电池装上了"智能交通系统"——CMK-3的介孔管道构成物理屏障，氧空位量子点则化身"分子交警"，既拦截LiPSs穿梭又疏导氧化还原反应。该工作不仅为高性能锂硫电池隔膜设计提供新范式，其"空间限域-缺陷调控"协同策略更可拓展至其他储能体系，推动下一代高能量密度电池的发展。