Phosphorene: a Potential 2D Material for Highly Efficient Polysulfide Trapping and Conversion

doi:10.1007/s40242-020-0180-5

Abstract

Abstract: Effectively trapping lithium polysulfide species and accelerating the reaction conversion kinetics are the main strategies to improve the performance of lithium-sulfur(Li-S) batteries. Since the researchers found in 2014 that two-dimensional(2D) phosphorene nanosheets could be exfoliated from the bulk black phosphorus, numerous researches have been devoted to exploring the phosphorene with unique properties for the application in Li-S batteries. In this review, we summarize the recent theoretical and experimental progress of phosphorene for Li-S batteries. Besides, we also introduce the relationship between the interfacial interaction on phosphorene and the performance enhancement of Li-S batteries. Furthermore, future challenges and remaining opportunities for phosphorene in Li-S batteries are finally discussed.

Key words: Phosphorene, Lithium-sulfur battery, Shuttle effect, Catalytic conversion, Enhanced redox kinetics

PEI Zhibin, LIU Yun, SUN Da, ZHU Zixuan, WANG Gongming. Phosphorene: a Potential 2D Material for Highly Efficient Polysulfide Trapping and Conversion[J]. Chemical Research in Chinese Universities, 2020, 36(4): 631-639.

References 94

[1]	Chung S. H., Manthiram A., Adv. Mater., 2019, 31(27), 1901125
[2]	Bruce P. G., Freunberger S. A., Hardwick L. J., Tarascon J. M., Nat. Mater., 2011, 11, 19
[3]	Wang D. W., Zeng Q. C., Zhou G. M., Yin L. C., Li F., Cheng H. M., Gentle L. R., Lu G. Q. M., J. Mater. Chem. A, 2013, 1(33), 9382
[4]	Li T., Bai X., Gulzar U., Bai Y. J., Capiglia C., Deng W., Zhou X. F., Liu Z. P., Feng Z. F., Proietti Zaccaria R., Adv. Funct. Mater., 2019, 29(32), 1901730
[5]	Lim W. G., Kim S., Jo C., Lee J., Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 131, 2
[6]	Chung S. H., Chang C. H., Manthiram A., Adv. Funct. Mater., 2018, 28(28), 1801188
[7]	Wild M., O'Neill L., Zhang T., Purkayastha R., Minton G., Marinescu M., Offer G. J., Energy Environ. Sci., 2015, 8(12), 3477
[8]	Jana M., Xu R., Cheng X. B., Yeon J. S., Park J. M., Huang J. Q., Zhang Q., Park H. S., Energy Environ. Sci., 2020, 13(4), 1049
[9]	Li G. R., Wang S., Zhang Y. N., Li M., Chen Z. W., Lu J., Adv. Mater., 2018, 30(22), 19
[10]	Xiao P. T., Sun L. X., Liao D. K., Agboola P. O., Shakir I., Xu Y. X., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10(39), 33269
[11]	Zhang J., Huang H., Bae J., Chung S. H., Zhang W. K., Manthiram A., Yu G. H., Small Methods, 2018, 2(1), 1700279
[12]	Fu A., Wang C. Z., Pei F., Cui J. Q., Fang X. L., Zheng N. F., Small, 2019, 15(10), 21
[13]	Li C. X., Xi Z. C., Guo D. X., Chen X. J., Yin L. W., Small, 2018, 14(4), 1701986
[14]	Wang H. Q., Zhang W. C., Xu J. Z., Guo Z. P., Adv. Funct. Mater., 2018, 28(38), 14
[15]	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
[16]	He J. R., Manthiram A., Energy Storage Mater., 2019, 20, 55
[17]	Yuan H., Peng H. J., Li B. Q., Xie J., Kong L., Zhao M., Chen X., Huang J. Q., Zhang Q., Adv. Energy Mater., 2019, 9(1), 1802768
[18]	Song Y. Z., Cai W. L., Kong L., Cai J. S., Zhang Q., Sun J. Y., Adv. Energy Mater., 2019, 10(11), 1901075
[19]	Yang Y., Zheng G. Y., Cui Y., Chem. Soc. Rev., 2013, 42(7), 3018
[20]	Zhang Q. F., Wang Y. P., Seh Z. W., Fu Z. H., Zhang R. F., Cui Y., Nano Lett., 2015, 15(6), 3780
[21]	Tao X. Y., Wang J. G., Liu C., Wang H. T., Yao H. B., Zheng G. Y., Seh Z. W., Cai Q. X., Li W. Y., Zhou G. M., Nat. Commun., 2016, 7, 11203
[22]	Yu M. L., Zhou S., Wang Z. Y., Wang Y. W., Zhang N., Wang S., Zhao J. J., Qiu J. S., Energy Storage Mater., 2019, 20, 98
[23]	Wang Y. K., Zhang R. F., Chen J., Wu H., Lu S. Y., Wang K., Li H. L., Harris C. J., Xi K., Kumar R. V., Ding S. J., Adv. Energy Mater., 2019, 9(24), 1900953
[24]	Lin H. B., Yang L. Q., Jiang X., Li G. C., Zhang T. R., Yao Q. F., Zheng G. Y. W., Lee J. Y., Energy Environ. Sci., 2017, 10(6), 1476
[25]	Xiao P. T., Bu F. X., Yang G. H., Zhang Y., Xu Y. X., Adv. Mater., 2017, 29(40), 1703324
[26]	He Y. B., Bai S. Y., Chang Z., Li Q., Qiao Y., Zhou H. S., J. Mater. Chem. A, 2018, 6(19), 9032
[27]	Zhang L. L., Wang Y. J., Niu Z. Q., Chen J., Carbon, 2019, 141, 400
[28]	Li L., Chen L., Mukherjee S., Gao J., Sun H., Liu Z. B., Ma X. L., Gupta T., Singh C. V., Ren W. C., Cheng H.-M., Koratkar N., Adv. Mater., 2017, 29(2), 1602734
[29]	Zhang J., Shi Y., Ding Y. H., Peng L. L., Zhang W. K., Yu G. H., Adv. Energy Mater., 2017, 7(14), 1602876
[30]	Wang T., Zhu J., Wei Z. X., Yang H. G., Ma Z. L., Ma R. F., Zhou J., Yang Y. H., Peng L. L., Fei H. L., Lu B. A., Duan X. F., Nano Lett., 2019, 19(7), 4384
[31]	Kamphaus E. P., Balbuena P. B., J. Phys. Chem. C, 2016, 120(8), 4296
[32]	Lin C., Qu L. B., Li J. T., Cai Z. Y., Liu H. Y., He P., Xu X., Mai L. Q., Nano Res., 2019, 12(1), 205
[33]	Pu J., Shen Z. H., Zheng J. X., Wu W. L., Zhu C., Zhou Q. W., Zhang H. G., Pan F., Nano Energy, 2017, 37, 7
[34]	Majumder S., Shao M. H., Deng Y. F., Chen G. H., J. Power Sources, 2019, 431, 93
[35]	Liu Y. S., Bai Y. L., Liu X., Ma C., Wu X. Y., Wei X., Wang Z., Wang K. X., Chen J. S., Chem. Eng. J., 2019, 378, 8
[36]	Li Z. H., He Q., Xu X., Zhao Y., Liu X. W., Zhou C., Ai D., Xia L. X., Mai L. Q., Adv. Mater., 2018, 30(45), 1804089
[37]	Zhang L. L., Chen X., Wan F., Niu Z. Q., Wang Y. J., Zhang Q., Chen J., ACS Nano, 2018, 12(9), 9578
[38]	Zhou J. B., Liu X. J., Zhu L. Q., Zhou J., Guan Y., Chen L., Niu S. W., Cai J. Y., Sun D., Zhu Y. C., Du J., Wang G. M., Qian Y. T., Joule, 2018, 2(12), 2681
[39]	Seh Z. W., Zhang Q. F., Li W. Y., Zheng G. Y., Yao H. B., Cui Y., Chem. Sci., 2013, 4(9), 3673
[40]	Zheng G. Y., Zhang Q. F., Cha J. J., Yang Y., Li W. Y., Seh Z. W., Cui Y., Nano Lett., 2013, 13(3), 1265
[41]	Zhu J. D., Zhu P., Yan C. Y., Dong X., Zhang X. W., Prog. Polym. Sci., 2019, 90, 118
[42]	Zhou W. D., Yu Y. C., Chen H., DiSalvo F. J., Abruña H. D., J. Am. Chem. Soc., 2013, 135(44), 16736
[43]	Hu H., Cheng H. Y., Liu Z. F., Li G. J., Zhu Q. C., Yu Y., Nano Lett., 2015, 15(8), 5116
[44]	Liu B., Fang R. Y., Xie D., Zhang W. K., Huang H., Xia Y., Wang X. L., Xia X. H., Tu J. P., Energy Environ. Mater., 2018, 1(4), 196
[45]	Li L. K., Yu Y. J., Ye G. J., Ge Q. Q., Ou X. D., Wu H., Feng D. L., Chen X. H., Zhang Y. B., Nat. Nanotech., 2014, 9(5), 372
[46]	Shifa T. A., Wang F. M., Liu Y., He J., Adv. Mater., 2019, 31(45), 1804828
[47]	Li W. F., Yang Y. M., Zhang G., Zhang Y. W., Nano Lett., 2015, 15(3), 1691
[48]	Wei Q., Peng X. H., Appl. Phys. Lett., 2014, 104(25), 5
[49]	Pang J. B., Bachmatiuk A., Yin Y., Trzebicka B., Zhao L., Fu L., Mendes R. G., Gemming T., Liu Z. F., Rummeli M. H., Adv. Energy Mater., 2018, 8(8), 43
[50]	Luo Y. R., Comprehensive Handbook of Chemical Bond Energies, CRC Press, Boca Raton, 2007
[51]	Dhanabalan S. C., Ponraj J. S., Guo Z. N., Li S. J., Bao Q. L., Zhang H., Adv. Sci., 2017, 4(6), 1600305
[52]	Li J. S., Guo C. X., Li C. M., ChemSusChem, 2020, 13(6), 1047
[53]	Castellanos-Gomez A., J. Phys. Chem. Lett., 2015, 6(23), 4873
[54]	Schusteritsch G., Uhrin M., Pickard C. J., Nano Lett., 2016, 16(5), 2975
[55]	Tian H. Z., Seh Z. W., Yan K., Fu Z. H., Tang P., Lu Y. Y., Zhang R. F., Legut D., Cui Y., Zhang Q. F., Adv. Energy Mater., 2017, 7(13), 1602528
[56]	Wu J. X., Mao N. N., Xie L. M., Xu H., Zhang J., Angew. Chem. Int. Edit., 2015, 54(8), 2366
[57]	Liu H., Neal A. T., Zhu Z., Luo Z., Xu X. F., Tománek D., Ye P. D., ACS Nano, 2014, 8(4), 4033
[58]	Kang J. S., Ke M., Hu Y. J., Nano Lett., 2017, 17(3), 1431
[59]	Fei R. X., Yang L., Nano Lett., 2014, 14(5), 2884
[60]	Mehboudi M., Dorio A. M., Zhu W. J., van der Zande A., Churchill H. O. H., Pacheco-Sanjuan A. A., Harriss E. O., Kumar P., Barraza- Lopez S., Nano Lett., 2016, 16(3), 1704
[61]	Lee C., Wei X. D., Kysar J. W., Hone J., Science, 2008, 321(5887), 385
[62]	Ryder C. R., Wood J. D., Wells S. A., Hersam M. C., ACS Nano, 2016, 10(4), 3900
[63]	Seo D. K., Hoffmann R., J. Solid State Chem., 1999, 147(1), 26
[64]	Kuntz K. L., Wells R. A., Hu J., Yang T., Dong B. J., Guo H. H., Woomer A. H., Druffel D. L., Alabanza A., Tománek D., Warren S. C., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9(10), 9126
[65]	Cai Y. Q., Ke Q. Q., Zhang G., Zhang Y. W., J. Phys. Chem. C, 2015, 119(6), 3102
[66]	He Y. Y., Xia F. F., Shao Z. B., Zhao J. W., Jie J. S., J. Phys. Chem. Lett., 2015, 6(23), 4701
[67]	Zhao J. X., Yang Y. G., Katiyar R. S., Chen Z. F., J. Mater. Chem. A, 2016, 4(16), 6124
[68]	Qiao J. S., Kong X. H., Hu Z. X., Yang F., Ji W., Nat. Commun., 2014, 5(1), 4475
[69]	Ling X., Wang H., Huang S. X., Xia F. N., Dresselhaus M. S., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2015, 112(15), 4523
[70]	Tran V., Soklaski R., Liang Y. F., Yang L., Phys. Rev. B, 2014, 89(23), 235319
[71]	Zhang G. W., Huang S. Y., Chaves A., Song C. Y., Özçelik V. O., Low T., Yan H. G., Nat. Commun., 2017, 8(1), 14071
[72]	Kim J., Baik S. S., Ryu S. H., Sohn Y., Park S., Park B. G., Denlinger J., Yi Y., Choi H. J., Kim K. S., Science, 2015, 349(6249), 723
[73]	Zhang X. O., Li Q. F., Xu B., Wan B., Yin J., Wan X. G., Phys. Lett. A, 2016, 380(4), 614
[74]	Peng X. H., Wei Q., Copple A., Phys. Rev. B, 2014, 90(8), 085402
[75]	Deng B. C., Tran V., Xie Y. J., Jiang H., Li C., Guo Q. S., Wang X. M., Tian H., Koester S. J., Wang H., Cha J. J., Xia Q. F., Yang L., Xia F. N., Nat. Commun., 2017, 8(1), 14474
[76]	Whitney W. S., Sherrott M. C., Jariwala D., Lin W., Bechtel H. A., Rossman G. R., Atwater H. A., Nano Lett., 2017, 17(1), 78
[77]	Ren X. L., Lian P. C., Xie D. L., Yang Y., Mei Y., Huang X. R., Wang Z. R., Yin X. T., J. Mater. Sci., 2017, 52(17), 10364
[78]	Kang J., Wells S. A., Wood J. D., Lee J. H., Liu X. L., Ryder C. R., Zhu J., Guest J. R., Husko C. A., Hersam M. C., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2016, 113(42), 11688
[79]	Zhao W. C., Xue Z. M., Wang J. F., Jiang J. Y., Zhao X. H., Mu T. C., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7(50), 27608
[80]	Pei J. J., Gai X., Yang J., Wang X. B., Yu Z. F., Choi D. Y., Luther D. B., Lu Y. R., Nat. Commun., 2016, 7(1), 10450
[81]	Lu W. L., Nan H. Y., Hong J. H., Chen Y. M., Zhu C., Liang Z., Ma X. Y., Ni Z. H., Jin C. H., Zhang Z., Nano Res., 2014, 7, 853
[82]	Smith J. B., Hagaman D., Ji H. F., Nanotechnology, 2016, 27(21), 8
[83]	Yang Z. B., Hao J. H., Yuan S. G., Lin S. H., Yau H. M., Dai J. Y., Lau S. P., Adv. Mater., 2015, 27(25), 3748
[84]	Li C., Wu Y., Deng B. C., Xie Y. J., Guo Q. S., Yuan S. F., Chen X. L., Bhuiyan M., Wu Z. S., Watanabe K., Taniguchi T., Wang H. L., Cha J. J., Snure M., Fei Y. W., Xia F. N., Adv. Mater., 2018, 30(6), 1703748
[85]	Xu Z. L., Lin S. H., Onofrio N., Zhou L. M., Shi F. Y., Lu W., Kang K., Zhang Q., Lau S. P., Nat. Commun., 2018, 9, 11
[86]	Sun J., Sun Y. M., Pasta M., Zhou G. M., Li Y. Z., Liu W., Xiong F., Cui Y., Adv. Mater., 2016, 28(44), 9797
[87]	Lin H., Yang D. D., Lou N., Wang A. L., Zhu S. G., Li H. Z., J. Appl. Phys., 2019, 125(9), 10
[88]	Haseeb H. H., Li Y., Ayub S., Fang Q. L., Yu L. J., Xu K. W., Ma F., J. Phys. Chem. C, 2020, 124(5), 2739
[89]	Zhang Q., Xiao Y. H., Fu Y. Y., Li C., Zhang X. F., Yan J., Liu J. Q., Wu Y. C., Appl. Surf. Sci., 2020, 512, 145639
[90]	Li Q., Zhou Q. H., Niu X. H., Zhao Y. H., Chen Q., Wang J. L., J. Phys. Chem. Lett., 2016, 7(22), 4540
[91]	Wood J. D., Wells S. A., Jariwala D., Chen K. S., Cho E., Sangwan V. K., Liu X. L., Lauhon L. J., Marks T. J., Hersam M. C., Nano Lett., 2014, 14(12), 6964
[92]	Chowdhury C., Karmakar S., Datta A., ACS Energy Letters, 2016, 1(1), 253
[93]	Tao Y. P., Huang T., Ding C. X., Yu F., Tan D. M., Wan F. X., Xie Q. J., Yao S. Z., Appl. Mater. Today, 2019, 15, 18
[94]	Lin S. H., Li Y. Y., Qian J. S., Lau S. P., Mater. Today Energy, 2019, 12, 1