李岩、王成新教授研究团队在锂硫电池中单原子催化剂的高通量理论设计领域取得进展

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锂硫（Li-S）电池具有低成本、高能量密度和环境友好等特性，是一种极具发展潜力的储能体系。然而，循环过程中多硫化锂（LiPs）溶解及其缓慢的反应动力学引起的穿梭效应使得Li-S电池的发展受到很大制约。因此，抑制穿梭效应成为开发高性能Li-S电池的难点之一。碳基单原子催化剂 (SACs) 材料不仅具有良好的化学吸附性能，而且其优异的电催化活性可以促进LiPs的氧化还原动力学，被认为是可以有效抑制穿梭效应的催化剂材料。SACs

图1 Li-S电池单原子催化剂高通量筛选示意图

      可选过渡金属原子种类众多（图1），因此基于传统的试错法设计能够催化Li2S裂解的SACs效率非常低，所以需要更高效的设计和筛选策略。最近的研究表明，LiPs的氧化还原动力学很大程度上取决于Li2S的氧化还原过程，尤其是氧化过程。因此，可以用催化Li2S分解的能垒作为SACs的评价指标以进行单原子催化剂的筛选和设计。但是，基于第一性原理的NEB方法计算Li2S分解过程来筛选SACs (图1)，需要大量计算资源，而且效率较低，不适合进行高通量筛选，这就需要寻找高效的描述符来预测Li2S裂解能垒。
      近期，王成新教授团队的李岩副教授利用基于第一性原理高通量计算(见图1、2)系统研究了9种可能与Li2S裂解能垒关联的参数。发现其中3种，即Li-S键强度参量（ICOHP）、Li2S裂解始末能量差以及Li2S裂解反应能变(图2 (b)-(d))差可以作为描述符精准预测Li2S的分解能垒，与常规的计算裂解能垒的NEB方法获得的能垒值非常接近，从而可以避免复杂的分解模拟过程。基于以上3种描述符，研究者通过高通量计算筛选出WN4@G和MoN4@G （图1），其不仅对Li2S氧化过程也对还原过程具有优异的催化性能。其中，WN4@G催化的Li2S裂解能垒更是低至0.55eV。以上策略能够用于筛选4配位的MN4@G类型SACs，而且能够扩展到含有SACs的异质界面以及S掺杂等具有更复杂配位环境的SACs (图 3)。例如，Li2S在WN4@G/TiS2上的裂解能垒比在WN4@G上更是低了0.21eV。以上策略对未来的实验和理论工作都具有重要的指导意义。

图2 Li2S裂解过程描述符。(a) ICOHP作为Li-S键强评价标准，以及Li2S裂解能垒与(b) ICOHP，(c) Li2S裂解始末能量，(d)Li2S裂解反应能变。

图3基于Li2S裂解始末能量差预测能垒的策略扩展到 (a)异质界面和S参杂等具有更复杂配位环境的SACs，(b) 始末能量差预测能垒与NEB方法计算能垒对比。

      相关研究以“Universal-Descriptors-Guided Design of Single Atom Catalysts toward Oxidation of Li2S in Lithium-Sulfur Batteries”为题发表在国际著名学术期刊Advanced Science上（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202102809）。2019级硕士研究生曾志豪为论文的第一作者，王成新教授及其团队李岩副教授为共同通讯作者，中山大学材料科学与工程学院为论文唯一完成单位。该研究工作受到国家自然科学基金、广东省自然科学基金以及国家超级计算广州中心的大力支持。
        
       文章来源：中山大学
      王成新，现任中山大学教授，博士生导师。2002年12月毕业于吉林大学超硬材料国家重点实验室,并获理学博士学位;论文题目:金刚石基的宽禁带半导体异质结及相关理论研究;2005年5月于中山大学光电材料与技术国家重点实验室博士后出站;2005年6月-2007年6月,日本东京工业大学JSPS特别研究员（日本学术振兴会（JSPS）资助）;2007年6月,入选中山大学百人计划,受聘于中山大学光电材料与技术国家重点实验室.近年来,一直从事低维光电功能材料设计应用及相关理论研究。
        李岩，中山大学副教授，主要研究方向：储能材料（锂离子与阳极材料的作用机理）  核废料处理（高放射性元素的固化与萃取）  二维材料（石墨烯纳米结构的电子性质和磁性质）  数据存储材料（相变材料的快速相变机制以及磁性掺杂）