Abstract Lithium–sulfur batteries have attracted attention due to their six-fold specific energy compared with conventional lithium-ion batteries. Dissolution of lithium polysulfides, volume expansion of sulfur and uncontrollable deposition of lithium sulfide are three of the main challenges for this technology. State-of-the-art sulfur cathodes based on metal-oxide nanostructures can suppress the shuttle-effect and enable controlled lithium sulfide deposition. However, a clear mechanistic understanding and corresponding selection criteria for the oxides are still lacking. Herein, various nonconductive metal-oxide nanoparticle-decorated carbon flakes are synthesized via a facile biotemplating method. The cathodes based on magnesium oxide, cerium oxide and lanthanum oxide show enhanced cycling performance. Adsorption experiments and theoretical calculations reveal that polysulfide capture by the oxides is via monolayered chemisorption. Moreover, we show that better surface diffusion leads to higher deposition efficiency of sulfide species on electrodes. Hence, oxide selection is proposed to balance optimization between sulfide-adsorption and diffusion on the oxides.

The hydrogen evolution reaction (HER) is an important energy conversion process that underpins many clean energy technologies including water splitting. Herein, we report for the first time the application of two-dimensional (2D) layered transition metal carbides, MXenes, as electrocatalysts for the HER. Our computational screening study of 2D layered M2XTx (M = metal; X = (C, N); and Tx = surface functional groups) predicts Mo2CTx to be an active catalyst candidate for the HER. We synthesized both Mo2CTx and Ti2CTx MXenes, and in agreement with our theoretical predictions, Mo2CTx was found to exhibit far higher HER activity than Ti2CTx. Theory suggests that the basal planes of Mo2CTx are catalytically active toward the HER, unlike in the case of widely studied MoS2, in which only the edge sites of the 2H phase are active. This work paves the way for the development of novel 2D layered materials that can be applied in a multitude of other clean energy reactions for a sustainable energy future.

Significance A series of metal sulfides were systematically investigated as polar hosts to reveal the key parameters correlated to the energy barriers and polysulfide adsorption capability in Li−S batteries. The investigation demonstrates that the catalyzing oxidation capability of metal sulfides is critical in reducing the energy barrier and contributing to the remarkably improved battery performance. Density functional theory simulation allows us to identify the mechanism for how binding energy and polysulfides trapping dominate the Li 2 S decomposition process and overall battery performance. The understanding can serve as a general guiding principle for the rational design and screening of advanced materials for high-energy Li−S batteries.

Although the rechargeable lithium-sulfur battery system has attracted significant attention due to its high theoretical specific energy, its implementation has been impeded by multiple challenges, especially the dissolution of intermediate lithium polysulfide (Li2Sn) species into the electrolyte. Introducing anchoring materials, which can induce strong binding interaction with Li2Sn species, has been demonstrated as an effective way to overcome this problem and achieve long-term cycling stability and high-rate performance. The interaction between Li2Sn species and anchoring materials should be studied at the atomic level in order to understand the mechanism behind the anchoring effect and to identify ideal anchoring materials to further improve the performance of Li-S batteries. Using first-principles approach with van der Waals interaction included, we systematically investigate the adsorption of Li2Sn species on various two-dimensional layered materials (oxides, sulfides, and chlorides) and study the detailed interaction and electronic structure, including binding strength, configuration distortion, and charge transfer. We gain insight into how van der Waals interaction and chemical binding contribute to the adsorption of Li2Sn species for anchoring materials with strong, medium, and weak interactions. We understand why the anchoring materials can avoid the detachment of Li2S as in carbon substrate, and we discover that too strong binding strength can cause decomposition of Li2Sn species.

The first use of non-centrosymmetric Janus Au-TiO(2) photocatalysts in efficient, plasmon-enhanced visible-light hydrogen generation is demonstrated. The intense localization of plasmonic near-fields close to the Au-TiO(2) interface, coupled with optical transitions involving localized electronic states in amorphous TiO(2) brings about enhanced optical absorption and the generation of electron-hole pairs for photocatalysis.

Owing to its low cost and high natural abundance, sodium metal is among the most promising anode materials for energy storage technologies beyond lithium ion batteries. However, room-temperature sodium metal anodes suffer from poor reversibility during long-term plating and stripping, mainly due to formation of nonuniform solid electrolyte interphase as well as dendritic growth of sodium metal. Herein we report for the first time that a simple liquid electrolyte, sodium hexafluorophosphate in glymes (mono-, di-, and tetraglyme), can enable highly reversible and nondendritic plating–stripping of sodium metal anodes at room temperature. High average Coulombic efficiencies of 99.9% were achieved over 300 plating–stripping cycles at 0.5 mA cm–2. The long-term reversibility was found to arise from the formation of a uniform, inorganic solid electrolyte interphase made of sodium oxide and sodium fluoride, which is highly impermeable to electrolyte solvent and conducive to nondendritic growth. As a proof of concept, we also demonstrate a room-temperature sodium–sulfur battery using this class of electrolytes, paving the way for the development of next-generation, sodium-based energy storage technologies.

Tremendous effort has been put into developing viable lithium sulfur batteries, due to their high specific energy and relatively low cost. Despite recent progress in addressing the various problems of sulfur cathodes, lithium sulfur batteries still exhibit significant capacity decay over cycling. Herein, we identify a new capacity fading mechanism of the sulfur cathodes, relating to Li(x)S detachment from the carbon surface during the discharge process. This observation is confirmed by ex-situ transmission electron microscopy study and first-principles calculations. We demonstrate that this capacity fading mechanism can be overcome by introducing amphiphilic polymers to modify the carbon surface, rendering strong interactions between the nonpolar carbon and the polar Li(x)S clusters. The modified sulfur cathode show excellent cycling performance with specific capacity close to 1180 mAh/g at C/5 current rate. Capacity retention of 80% is achieved over 300 cycles at C/2.

Lithium sulfur batteries have brought significant advancement to the current state-of-art battery technologies because of their high theoretical specific energy, but their wide-scale implementation has been impeded by a series of challenges, especially the dissolution of intermediate polysulfides species into the electrolyte. Conductive polymers in combination with nanostructured sulfur have attracted great interest as promising matrices for the confinement of lithium polysulfides. However, the roles of different conductive polymers on the electrochemical performances of sulfur electrode remain elusive and poorly understood due to the vastly different structural configurations of conductive polymer–sulfur composites employed in previous studies. In this work, we systematically investigate the influence of different conductive polymers on the sulfur cathode based on conductive polymer-coated hollow sulfur nanospheres with high uniformity. Three of the most well-known conductive polymers, polyaniline (PANI), polypyrrole (PPY), and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), were coated, respectively, onto monodisperse hollow sulfur nanopsheres through a facile, versatile, and scalable polymerization process. The sulfur cathodes made from these well-defined sulfur nanoparticles act as ideal platforms to study and compare how coating thickness, chemical bonding, and the conductivity of the polymers affected the sulfur cathode performances from both experimental observations and theoretical simulations. We found that the capability of these three polymers in improving long-term cycling stability and high-rate performance of the sulfur cathode decreased in the order of PEDOT > PPY > PANI. High specific capacities and excellent cycle life were demonstrated for sulfur cathodes made from these conductive polymer-coated hollow sulfur nanospheres.