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

構建高效的硫還原反應（SRR）電催化劑，提高多硫化物反應速率，可有效提高硫活性物質利用率，抑制鋰硫電池的穿梭效應。因此，SRR的催化反應動力學研究是發(fā)展硫基高比能電池的關鍵。然而，基于催化劑電子結構和SRR活性之間的關聯(lián)，逆向按需設計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構參數(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速控步的吸附活化熵(ΔS0*)和活化能(Ea)呈線性相關（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反應催化劑的活性，建立了硫的p電荷密度與SRR反應決速步(Li2Sn→ Li2S/Li2S2)的表觀活化能和吸附活化熵之間的關聯(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活性的影響規(guī)律。該工作為鋰硫電池催化材料的理性設計和高比能鋰硫電池實用化技術開發(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。