MaterialsViews - 蘇州大學孫靖宇Small Science：MNC單原子催化劑調控鋰硫電池動力學的活性起源－鑽石舞台

鋰硫電池相較於鋰離子電池具有更高的理論比容量，被認為是潛在的替代鋰離子電池的新型儲能體系。然而，正極硫還原成固態Li2S的過程具有動力學緩慢且反應步驟複雜的特點，尤其是液固轉化反應，即Li2S4→Li2S，其貢獻理論容量的75%；這嚴重製約了電池容量的發揮、阻礙倍率性能和循環壽命的提升。鑑於此，具有優異電化學活性和穩定性的M-N-C單原子催化劑作為正極硫的宿主材料，可以有效誘導多硫化物吸附與轉化、增強液固與固固反應動力學、提升電池容量。然而，具有M-N-C構型的單原子催化劑在鋰硫催化中的活性中心以及反應機制尚不明晰，需要進一步探究。

蘇州大學能源學院孫靖宇教授課題組通過靜電紡絲-控溫退火策略，成功製備具有M-N-C構型的MSA PCNF（M=Fe, Co, Ni）碳基纖維膜複合材料。此合成策略提供一種普適性的單原子催化劑構築方法，有利於研究不同過渡金屬單原子中心電催化硫還原的微觀機制，為理性設計單原子催化劑提供思路。通過理論模擬揭示，Fe(Co)SA PCNF採用單金屬中心位點的催化機制，而NiSA PCNF利用Ni原子和最近鄰的C原子雙位點協同作用增強Li2S2→Li2S反應動力學。

在溶劑化條件下，利用密度泛函理論分析方法，考察不同金屬中心的M-N-C催化劑對固固轉變（即Li2S2→Li2S）活性的影響，詳細考察中間體LiS在不同位點的吸附，引入反應過電勢作為電化學固固轉變的描述符，離火山頂越近的吸附位點具有更小的過電勢，相應活性越高，因此NiSA PCNF中Ni位點和C5位點均具有較小的過電勢，相較於Fe(Co)SA PCNF中的金屬位點，Bader電荷以及晶體軌道重疊布局分析顯示Ni體系具有適中的LiS結合能。

將 MSA PCNF組裝成鋰硫電池，相較於Fe(Co)SA PCNF, NiSA PCNF具有更優的倍率性能，更小的充放電極化，更高的比容量和庫倫效率。高負載條件下，對比其他體系，Ni基體依然展示出較高的面容量和長循環穩定性。

【課題組負責人簡介】

孫靖宇：蘇州大學特聘教授，博士生導師。牛津大學博士。江蘇省傑青。蘇州大學——北京石墨烯研究院產學研協同創新中心主任。江蘇省「先進碳材料與可穿戴能源技術」重點實驗室主任。《物理化學學報》/《科學通報》/J. Energy Chem./Chin. Chem. Lett./InfoMat（青年）編委。2008年本科畢業於浙江大學，2013年於英國牛津大學獲博士學位。2013-2015、2015-2017年分別在北京大學和英國劍橋大學開展博士後研究工作。2017年2月入職蘇州大學能源學院，2018年受聘北京石墨烯研究院兼職研究員。主要從事新型石墨烯功能材料的基礎及應用研究。

課題組主頁：

http://jysunlab.energy.suda.edu.cn

論文信息：

Demystifying Activity Origin of M–N–C Single-Atomic Mediators Toward Expedited Rate-Determining Step in Li–S Electrochemistry

Jia Jin, Zhongti Sun*, Tianran Yan, Zixiong Shi*, Meiyu Wang, Ting Huang, Yifan Ding, Jingsheng Cai, Peng Wang, Liang Zhang*, Jingyu Sun*

Small Science

DOI：10.1002/smsc.202200059

點擊左下角「閱讀原文」，查看該論文原文。

Small

Science

期刊簡介

Small Science是Wiley於2021年最新推出的納米領域開放獲取頂尖旗艦期刊。收錄納米研究工作成果，側重於物理、化學、材料科學、工程學、環境科學、生命科學和醫學等領域的微米/納米級結構和系統的設計、表徵、機理、技術及應用。特別歡迎前沿、跨學科應用研究及針對特定領域長期挑戰問題的基礎科研工作。

WILEY