近日，我校物理與電子學院化五星博士和上海師范大學萬穎教授團隊、清華大學深圳研究生院呂偉副教授團隊等合作，在Nature Catalysis上以Article形式發(fā)表了題為Optimizing thepcharge of S inp-block metal sulfides for sulfur reduction electrocatalysis的研究成果，將實驗可測量的p電荷密度作為描述符用于篩選高活性鋰硫電池催化劑（圖1）。

圖1

構(gòu)建高效的硫還原反應(yīng)（SRR）電催化劑，提高多硫化物反應(yīng)速率，可有效提高硫活性物質(zhì)利用率，抑制鋰硫電池的穿梭效應(yīng)。因此，SRR的催化反應(yīng)動力學研究是發(fā)展硫基高比能電池的關(guān)鍵。然而，基于催化劑電子結(jié)構(gòu)和SRR活性之間的關(guān)聯(lián)，逆向按需設(shè)計SRR電催化材料的理論和方法鮮有報道。因此，提出一種實驗可測量的電子結(jié)構(gòu)參數(shù)作為描述因子，定量描述其與催化活性以及電池性能之間的關(guān)系，對發(fā)展高效催化劑和高比能鋰硫電池具有重要意義。

針對上述問題，化五星博士及其合作者提出并通過實驗證實p區(qū)金屬硫化物（p-MS）中硫的p電荷密度可用于描述SRR催化劑的活性。實驗結(jié)果表明，鋰硫電池中加入p區(qū)金屬硫化物催化劑（p區(qū)金屬指d軌道電子處于填充態(tài)的金屬）后，顯著降低了決速步（Li2Sn→ Li2S/Li2S2）的表觀活化能，使決速步的反應(yīng)速率得到了極大的提高（圖2a）。綜合XPS、XAS及變溫CV計算的表觀活化能發(fā)現(xiàn)，p區(qū)金屬硫化物中S元素的p電荷密度與硫還原反應(yīng)速控步的吸附活化熵(ΔS0*)和活化能(Ea)呈線性相關(guān)（圖2b）。硫化鉍(Bi2S3)中S元素的p電荷密度增加最大，在硫還原反應(yīng)的速控步中表現(xiàn)出最大的ΔS0*和最小的Ea，這使基于Bi2S3催化劑的電池表現(xiàn)出最優(yōu)的電化學性能，在5 C的倍率下循環(huán)500圈后，容量保持率達到85 %以上（圖2c）。

圖2

在本項突破性研究工作中，研究團隊提出并通過實驗證實p區(qū)金屬硫化物中硫的p電荷密度可用于描述SRR反應(yīng)催化劑的活性，建立了硫的p電荷密度與SRR反應(yīng)決速步(Li2Sn→ Li2S/Li2S2)的表觀活化能和吸附活化熵之間的關(guān)聯(lián)，揭示了p區(qū)金屬硫化物中硫的p電荷密度對硫還原反應(yīng)活性的影響規(guī)律。該工作為鋰硫電池催化材料的理性設(shè)計和高比能鋰硫電池實用化技術(shù)開發(fā)提供了新思路。

化五星、尚童鑫、李歡、孫雅飛為本文共同第一作者，上海師范大學萬穎教授、清華大學深圳研究生院呂偉副教授為通訊作者。該研究得到國家科技部、國家自然科學基金委、上海市教委的大力支持。

化五星，工學博士，2021年畢業(yè)于天津大學，同年入職河南大學。主要從事低維材料與儲能器件的研究，以第一/共一作者發(fā)表鋰硫催化相關(guān)文章6篇，包括Nature Catalysis、Advanced Materials（2）、Advanced Functional Materials、ACS Nano和Journal of Electrochemistry（邀稿，鋰硫電池專輯），其中4篇曾入選ESI高被引論文。獲“天津大學優(yōu)秀博士學位論文”、河南省“中原英才計劃”青年拔尖人才（中原博新計劃）；主持中國博士后面上資助一等，河南省青年基金項目。