孙振华、李峰课题组：催化诱导硫化锂的电子结构转变研究取得新进展

xinfeng

锂硫电池具有能量密度高（2600 Wh kg-1）、硫单质成本低廉和环境友好等优势，在替代锂离子电池的新一代电化学储能体系中极具竞争力。硫正极的容量发挥与复杂的“固-液-固”多步反应动力学紧密相关，尤其是硫化锂的沉积/解离过程，贡献了锂硫电池正极充放电容量的四分之三，是影响性能的重要过程。然而，硫化锂的绝缘性导致了电化学过程需要克服较高反应活化能；电化学过程中硫化锂形成是平面生长，造成了电极表面的快速钝化，从而导致硫化锂的沉积/解离过程，动力学缓慢和效率低。近年来，过渡金属基催化剂用于硫正极可有效降低反应能垒，促进电荷转移，提高活性物质的利用率，但放电过程中，产物硫化锂会覆盖催化位点，降低后续反应的电催化活性。电池体系中催化剂诱导的反应物（产物）的导电属性变化对性能的影响，尚未得到充分的认识和研究。

图1. 第一性原理计算吸附于金属单原子催化剂位点的硫化锂的电子结构和反应能垒。

　　近日，中国科学院金属研究所科研人员在前期高效锂硫电池催化剂研究的基础上（Nat. Commun. 2017, 8, 14627; J. Energy Chem. 2021, 54, 452; Batteries Supercaps 2022, 5, e202100389），提出了筛选锂硫电池催化剂的新策略。通过诱导吸附于催化剂表面的硫化锂的电子结构 “绝缘-金属性”转变，使被硫化锂覆盖的催化位点仍可作为电化学反应的界面，从而实现高的硫化锂沉积/解离效率。通过第一性原理计算（图1），筛选出单原子铜催化剂作为模型催化剂，反应界面快速的电荷转移实现了硫化锂由二维平面生长到三维球状团簇生长的转变（图2）。催化剂诱导的硫化锂电子结构转变使锂硫电池中催化位点的催化效率得到显著提高，在高硫负载下获得了优异的倍率性能和循环性能（图3）。研究成果近期以“Electronic structure adjustment of lithium sulfide by a single-atom copper catalyst toward high-rate lithium-sulfur batteries”为题发表于Energy Storage Materials上。本工作以锂硫电池体系为例，研究了催化剂诱导的电化学反应过程产物电子态变化所带来的影响，为发展复杂反应过程和电池体系的高效电催化剂提供了新的研究思路。
　　博士研究生肖茹为论文第一作者，于彤博士为共同第一作者，孙振华研究员和李峰研究员为论文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院先导专项、兴辽英才计划以及国研中心等相关项目的资助。
　　全文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.07.024
      


       文章来源：金属所
       李峰，中国科学院金属所研究员。于1995年在南京化工大学（现南京工业大学）获得学士学位，2001年在中科院金属所获得材料学博士学位，师从成会明院士，现于中科院金属所担任研究员。李峰教授的主要研究方向为电化学能量储存与转换用碳基纳米材料及器件的制备和应用研究，主要感兴趣的研究是碳纳米材料的结构及表面状态对电化学储能体系的电化学过程的影响规律，碳基电化学储能材料的制备，新型电化学储能器件的设计与应用。
       孙振华，现为中国科学院金属研究所副研究员。2001年本科毕业于吉林大学化学学院化学专业，2006年在吉林大学化学学院无机合成与制备化学国家重点实验室获得无机化学博士学位。2007年至2009年在香港中文大学进行博士后研究工作。2009年获中国科学院金属研究所“引进优秀学者”资格，主要研究方向为纳米碳材料及碳基复合材料在储能和催化中的应用研究。目前，已在Angew Chem Int Ed、Adv Mater、Adv Funct Mater、Small和Chem.Commun.等期刊发表SCI论文38篇，论文被SCI他引1026余次，H因子19。