西华-程路、吉大-张冬、华南师大-邢震宇：锂硫电池中的钴纳米催化剂的表面硫化行为- 大数跨境

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西华-程路、吉大-张冬、华南师大-邢震宇：锂硫电池中的钴纳米催化剂的表面硫化行为

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2026-01-09

导读：西华-程路、吉大-张冬、华南师大-邢震宇：锂硫电池中的钴纳米催化剂的表面硫化行为

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文章信息

Cobalt nanoparticles to cobalt sulfide: catalytic surface evolution for outstanding performance lithium-sulfur battery

第一作者：程路

通讯作者：程路*，张冬*，邢震宇*

单位：西华大学，吉林大学，华南师范大学

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研究背景

锂硫电池因其硫正极具有高达1675 mAh g^-1的理论比容量以及突出的能量密度优势，被视为新一代高比能储能体系的重要发展方向。然而，在实际运行过程中，硫正极所涉及的多硫化锂中间体易在电解液中溶解并发生迁移，引发严重的穿梭效应；同时，硫/硫化锂体系本征导电性较差、反应动力学缓慢，这些问题在高硫负载和长循环条件下尤为突出，成为制约锂硫电池走向实际应用的关键科学与技术瓶颈。

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文章简介

近日，西华大学理学院程路博士与吉林大学张冬教授和华南师范大学邢震宇研究员协同开展研究，共同构筑了一种钴负载的间苯二酚/甲醛衍生多孔碳复合材料（CoRF），并将其引入锂硫电池体系中作为催化功能组分。研究表明，该材料中高度分散的钴（Co）纳米颗粒在电化学反应过程中可作为高效催化活性中心，协同发挥对多硫化锂的强化学吸附与催化转化作用，有效抑制穿梭效应并显著加速硫物种的可逆反应动力学。得益于上述协同效应，所构建的锂硫电池在高倍率、高硫负载及长循环条件下均表现出优异而稳定的电化学性能。进一步研究表明，钴纳米颗粒在电化学反应过程中其表面可发生原位硫化转化，逐步演化为异质结构的Co@CoxSy，从而在循环过程中持续提供稳定而高效的催化活性位点。相关研究成果以“Cobalt Nanoparticles to Cobalt Sulfide: Catalytic Surface Evolution for Outstanding Performance Lithium-Sulfur Battery”为题，发表在国际知名期刊J. Colloid Interface Sci.上。

图1 CoRF的结构特征及其在电池过程中的表面硫化催化示意图

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本文要点

要点一：钴纳米颗粒吸附并催化加速多硫化物转化

CoRF材料通过高比表面积的RF碳骨架支撑均匀分布的纳米级钴颗粒，实现了良好的离子通道和电子传导路径。同时，纳米钴颗粒在碳骨架的约束下呈现高度分散状态，提供大量催化活性位点，从而显著提升了多硫化物的吸附能力和反应动力学。CoRF复合材料表现出显著的多硫化物吸附能力，能够有效固定溶液中的Li₂S₆，并通过DFT计算显示其对S8及Li₂Sn的吸附能明显高于RF，表明其在锂硫电池中具备优异的锚定作用。Co的引入不仅增强了材料对多硫化物的吸附，还显著加快了LPS向Li₂S的转化，提高了电化学氧化和还原过程中的反应动力学。此外，CoRF具有较大的电化学活性表面积和较高的电子态密度，从而优化了电荷传输和界面反应速率，为锂硫电池的高容量输出与循环稳定性提供了有力支撑。

图2 CoRF对LPS的吸附性能探究

要点二：优异的倍率性能和循环稳定性

电化学测试表明，CoRF复合材料在锂硫电池中具有显著的电子传输优势和低电荷转移阻力，从而有效提升了电极反应动力学。在不同倍率条件下，CoRF电池均表现出高容量与优异的倍率性能，即使在高硫负载下亦能实现稳定循环。长期循环测试表明，CoRF可在1C高电流下实现超过1000次循环的稳定运行，容量衰减率极低。这些结果充分表明，Co的引入不仅优化了界面反应和电子传输，还保障了电池的高容量输出、长寿命和循环稳定性。

图3 CoRF基锂硫电池的电化学性能

要点三：钴纳米颗粒在电化学过程中的表面硫化

首次放电后的材料表征发现，Co纳米颗粒在电化学过程中发生显著表面转化，形成以金属钴纳米颗粒为核心、硫化钴（Co₉S₈、CoS₂、Co₃S₄）为包覆层的异质结构。透射电子显微镜及傅里叶变换分析确认了Co纳米颗粒核心的晶体稳定性，同时验证了多相硫化钴的存在。X射线衍射及高分辨XPS谱进一步表明，Co表面在锂多硫化物作用下发生硫化反应，生成Co-S键，证实了电化学反应驱动的表面转化过程。此外，经放电后的CoRF表现出轻微提升的电化学活性面积（ECSA），表明部分硫化并未削弱活性位点的可及性。该Co@CoxSy异质结构不仅维持了催化活性，还增强了有效反应表面积。

图4 放电后的CoRF形态特征

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文章链接

L. Cheng, Q. Xiao, W. Li, M. Yu, M. Xiao, D. Peng, D. Zhang, and Z. Xing, J. Colloid Interface Sci. 2026, 708, 139759.

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.139759

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通讯作者简介

程路博士简介：西华大学引进人才，硕士研究生导师。2024年于吉林大学物理学院获得理学博士学位，同年加入西华大学理学院工作，主要从事碱金属电池硫/硒基正极设计与制备方面的研究。主持四川省自然科学基金项目等科研项目3项。目前已在ACS Energy Lett., Nano Lett.等国际知名期刊发表SCI论文10篇，申请国家发明专利2项，担任Journal of Electrochemistry期刊青年编委。

张冬教授简介：吉林大学物理学院教授。2006年在吉林大学化学学院获得理学博士学位，导师为冯守华院士。2007-2010年，在瑞典斯德哥尔摩大学阿列纽斯实验室Mats Johnsson教授的研究小组进行博士后研究工作，主要从事低维功能材料的研发和物理性能研究工作。期间以访问学者的身份与德国布伦瑞克工业大学的Peter Lemmens教授合作，进行高温超导低维材料的研究。

2010年，以“学术骨干”的身份加入到吉林大学陈岗教授带领的创新团队，留校任教。2019-2020年，以访问学者身份与美国加州大学洛杉矶分校卢云峰教授开展合作研究工作。现主要从事高比能金属电池（锂硫、钠硫、锂硒、钠硒）和水系电池等储能材料与器件的设计与开发。作为项目负责人主持多项国家自然科学基金委，教育部和吉林省科技厅项目，在Angew. Chem. Int. Ed.，Nano Letters等国际著名杂志发表SCI/EI论文100余篇。

邢震宇研究员简介：华南师范大学研究员，广东省杰出青年基金获得者，香江学者获得者。研究方向包括：（1）金属热反应制备功能材料；（2）碳材料的合成和应用；（3）电化学储能。共发表46篇SCI论文，总引用次数超过5500，H-index为30。其中，以第一作者/通讯作者在Nature Energy、Chem、Advanced Materials、ACS Energy Letter、SusMat等国际权威期刊上发表SCI论文28篇。