Dopant-controlled polysulfide anchoring on MoS2/graphene bilayers: insights from a complementary d-band–NMR descriptor framework

Đây là công trình nghiên cứu của nhóm tác giả đến từ các cơ sở giáo dục đại học và nghiên cứu trong nước, quốc tế, được công bố trên tạp chí RSC Advances năm 2026, thuộc danh mục ISI, Q1, do Royal Society of Chemistry (RSC) xuất bản ngày 03/9/2026. Công trình nhận được sự tài trợ của Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF) theo mã dự án VINIF.2023.DA080; đồng thời, nhóm nghiên cứu được Trung tâm Khoa học Vật liệu Tính toán, Viện Nghiên cứu Vật liệu, Đại học Tohoku (Nhật Bản) cho phép sử dụng phần mềm MASAMUNE-II theo mã dự án 2512SC0501.

Nhóm tác giả gồm: TS. Trần Thị Nhàn, giảng viên Vật lý- Khoa Giáo dục đại cương- Đại học Công nghiệp Hà Nội; PGS. Đặng Minh Triết; TS. Nguyễn Trường Long; TS. Nguyễn Trúc Anh; ThS. Nguyễn Võ Anh Duy- Đại học Cần Thơ; ThS. Dương Trọng Nhân- Trường Đại học Văn Lang; TS. Phùng Thị Việt Bắc- Trường Đại học ViNUNI ; TS. Tô Văn Nguyện- Đại học kỹ thuật Lê Quý Đôn; PGS. Nguyễn Văn Nghĩa- Đại học Kiến trúc Hà Nội; GS. Yoshiyuki Kawazoe- Trường Tohoku University, Sendai, Japan.

Trong nghiên cứu, nhóm tác giả đã chứng minh rằng việc pha tạp thay thế các cấu trúc dị thể MoS₂/graphene bằng các nguyên tố B, P và N là một chiến lược hiệu quả nhằm điều chỉnh tương tác polysulfide và hóa học oxy hóa – khử ở cấp độ nguyên tử trong pin natri–lưu huỳnh.

Thông qua các tính toán dựa trên nguyên lý đầu tiên, nghiên cứu cho thấy việc đưa các nguyên tố pha tạp vào cấu trúc dị thể làm tăng đáng kể tương tác với các cụm Na₂Sₓ thông qua sự hình thành các liên kết pha tạp – lưu huỳnh có định hướng, đồng thời tăng cường sự phân bố lại điện tích tại giao diện. Qua đó, quá trình vận chuyển polysulfide được hạn chế hiệu quả.

Nghiên cứu cũng xác định được các cơ chế điều chỉnh đặc tính điện tử, phụ thuộc vào từng nguyên tố pha tạp. Pha tạp B thúc đẩy sự lai hóa cộng hóa trị mạnh và sự phân bố điện tích, tạo ra môi trường điện tử đối xứng và khả năng neo giữ hóa học mạnh các chuỗi Na2Sx. Pha tạp P tạo ra tính dị hướng và sự phân cực điện tử rõ rệt, qua đó đạt được sự cân bằng về cường độ tương tác. Trong khi đó, pha tạp N gây ra sự định vị điện tích mạnh và sự phân cực tại giao diện do độ âm điện cao, dẫn đến môi trường điện tử có tính dị hướng cao.

Các xu hướng điện tử này được phản ánh nhất quán thông qua các dấu hiệu NMR, cho thấy phân tích d-band và phổ NMR có thể cung cấp những mô tả bổ sung về quá trình điều chỉnh cấu trúc điện tử do pha tạp gây ra.

Bên cạnh việc tăng cường khả năng hấp phụ và neo giữ polysulfide, việc pha tạp còn tạo ra các đặc tính loại p và dịch chuyển các trạng thái điện tử về phía mức Fermi. Những thay đổi này góp phần tăng cường độ dẫn điện và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình truyền tải điện tích giữa các loài Na₂Sₓ và vật liệu chủ.

Sự kết hợp giữa khả năng hấp phụ được tăng cường và khả năng vận chuyển điện tử được cải thiện giúp thúc đẩy động học phản ứng, đồng thời duy trì tính toàn vẹn cấu trúc của vật liệu trong quá trình chu kỳ.

Trên cơ sở đó, nghiên cứu đã thiết lập một khung mô tả bổ sung, liên kết giữa cấu trúc điện tử, môi trường liên kết cục bộ và chức năng điện hóa. Kết quả cho thấy kỹ thuật pha tạp cấu trúc dị thể MoS₂/graphene có khả năng kiểm soát đồng thời quá trình neo giữ polysulfide, truyền tải điện tích và độ dẫn điện tử.

Những kết quả đạt được cung cấp một nguyên tắc thiết kế có tính khái quát đối với các vật liệu chủ lưu huỳnh tiên tiến, đồng thời nhấn mạnh tiềm năng của chiến lược pha tạp cấu trúc dị thể trong phát triển các hệ thống lưu trữ năng lượng natri–lưu huỳnh hiệu suất cao.

Abtract: Rational design of sulfur hosts for room-temperature sodium–sulfur batteries requires simultaneous control over polysulfide anchoring and redox kinetics, yet a unified descriptor linking electronic structure to interfacial behavior remains elusive. Here, we establish a descriptor-level framework that integrates d-band theory with nuclear magnetic resonance (NMR) signatures to elucidate dopant-controlled polysulfide interactions in MoS2/graphene bilayers. Using first-principles calculations, we show that heteroatom doping (B, P, and N) systematically modulates the Mo d-band center, governing the strength of Mo–S hybridization and interfacial charge transfer. These electronic perturbations are complemented by site-resolved NMR parameters, providing experimentally accessible fingerprints of local bonding environments and adsorption strength. We identify distinct dopant-dependent regimes: B doping promotes strong covalent hybridization and electronic activation, P doping achieves an optimal balance between adsorption and charge transport, and N doping induces pronounced charge localization and polarization. This unified descriptor framework consistently explains adsorption energetics, charge redistribution, and catalytic activity. Furthermore, dopant-induced electronic tuning lowers Na2S decomposition barriers, while selective dopants promote Na-ion diffusion, thereby accelerating redox kinetics. Our results demonstrate that the d-band center and NMR signatures act as complementary electronic descriptors that consistently explain polysulfide anchoring, charge redistribution, and catalytic activity, providing a generalizable strategy for designing electronically and chemically optimized sulfur hosts for advanced sodium–sulfur batteries.

Keywords: DFT; MoS2/graphen; Na2S; polysulfide; lithium-ion batteries; sodium–sulfur batteries

Toàn văn bài báo xem tại đây: https://doi.org/10.1039/d6ra04428j

Một vài hình vẽ trong bài báo