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文 章 信 息
Single-Atomic Fe-S3-Mo Sites Triggered Fast Redox Conversion in Li-S Batteries
第一作者：魏小洋
通讯作者：靳俊*，温兆银*
单位：中国科学院上海硅酸盐研究所， 中国科学院大学
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研 究 背 景
锂硫（Li-S）电池因其高理论能量密度（~2600 Wh kg⁻¹）、成本低和环境友好等优势，被认为是极具前景的下一代储能技术。然而，其实际应用受限于缓慢的电化学反应动力学和可溶性多硫化锂（LiPSs）的“穿梭效应”。单原子催化剂（SACs）具有近100%的原子利用率和优异的催化活性，已被广泛应用于硫正极以加速硫的氧化还原反应。然而，单一的单原子位点通常对多步硫转化过程的催化效能有限，导致实际性能不佳。因此，开发能够协同增强吸附与催化能力的复合型单原子催化剂，对于实现高性能锂硫电池至关重要。
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文 章 简 介
近日，中国科学院上海硅酸盐研究所的靳俊、温兆银等人在Advanced Energy Materials上发表了题为“Single-Atomic Fe-S₃-Mo Sites Triggered Fast Redox Conversion in Li-S Batteries”的研究论文。该工作通过在MoS2纳米片上锚定原子级分散的Fe单原子（FeSA-MoS₂@NC），并使其通过Fe-S₃配位稳定在Mo-top位点，构建了独特的Fe-S₃-Mo界面耦合结构。该结构诱导了显著的界面电荷重分布，协同增强了宿主（MoS₂）与客体（LiPSs）之间的相互作用，从而实现了对多硫化锂超强的吸附和高效的催化转化。基于此正极的软包电池在贫电解液条件下（E/S = 3.5）实现了1.72 Ah的放电容量和302 Wh kg⁻¹的重量能量密度（基于电池总质量）。这项工作为设计先进单原子复合催化剂和高性能锂硫电池提供了新思路。
图1. （a）Fe─S3─Mo键合位点及LiPSs吸附/转化机制示意图；（b）不同Fe单原子在MoS2上的结合能；（c）FeSA─MoS2、MoS2和FeSA的态密度。
图2. （a）结构演变示意图及性能对比；（b）N2吸附-脱附等温线（插图：相应的BJH孔径分布曲线）；（c）比表面积和孔容值；（d）XRD图谱；（e）EIS谱图（插图：Rct值对比）；（f）nx FeSA-MoS2@NC（n = 0.33、0.66、1、1.33和1.66）在0.2 C倍率下的循环性能。
图3. (a) 区域 I（红色）、II（蓝色）和 III（橙色）的高分辨透射电镜 (HRTEM) 图像及放大图；(b) Z 轴强度分布分析；(c) FeSA-MoS2@NC 中 1T 相和 2H 相 MoS2的晶格排列；(d) FeSA-MoS2@NC 和 MoS2@NC 的拉曼光谱；(e) FeSA-MoS2@NC 的 XPS Mo 3d 和 (f) Fe 2p 光谱；(g) Fe 箔、FeO、Fe2O3、FeS2、FeSA-MoS2@NC 和 FeSA@NC 的 Fe K 边 XANES 光谱；(h) FT-EXAFS 光谱；(i) FeSA-MoS2@NC 的 EXAFS 拟合结果；(j–l) FeSA-MoS2@NC、Fe2O3和 FeS2的 Fe K 边 WT 等高线图。
图4. (a) LiPS 物种的吸附能；(b) Li2S6 的微分电荷密度；(c) LiPS 物种的吉布斯自由能曲线；(d) Li2S 分解的能量曲线；(e) Li2S 在 FeSA-MoS2、MoS2和 FeSA 上的分解几何构型；(f) Li2S6溶液在 FeSA-MoS2@NC、MoS2@NC 和 FeSA@NC 吸附后的紫外-可见光谱（插图：可视化吸附实验的光学照片）；(g) FeSA-MoS2@NC 吸附 Li2S6前后的 XPS S 2p 光谱。
图5. （a–c）不同扫描速率下的CV曲线的倒谱图；（d–f）第二次放电-充电过程的原位EIS谱图和相应的电压曲线；（g–i）FeSA-MoS2@NC、MoS2@NC和FeSA@NC第二次放电-充电过程的原位DRT图像。
图6. （a–c）原位XRD图谱；（d）0.2 C倍率下的长期循环性能；（e）S/FeSA-MoS2@NC、S/MoS2@NC和S/FeSA@NC的倍率性能；（f）光学照片；（g）S/FeSA-MoS2@NC软包电池的循环性能。
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本 文 要 点
要点一：Fe-S₃-Mo界面耦合结构的设计与优化
通过DFT计算和可控合成，确定了Fe单原子在MoS₂表面最稳定的Mo-top位点（Fe-S₃配位）。系统研究了不同MoS₂含量的nx FeSA-MoS₂@NC材料，发现随着MoS₂含量增加（n值增大），材料的电催化活性增强，但电导率、比表面积和孔容下降。其中， 1x FeSA-MoS₂@NC（n=1）在催化活性、导电性和结构特性之间取得了最佳平衡，被选为最优组成。
要点二：复合材料的精细结构表征
多种表征手段（HRTEM， XPS， XAS， Raman等）证实了Fe单原子的原子级分散以及1T与2H相MoS₂的共存。EXAFS拟合结果显示Fe的配位数为2.7，平均Fe-S键长为2.26 Å，证实了Fe-S₃构型。1T-MoS₂相（具有金属性）占主导，与Fe单原子协同，赋予了材料高催化活性和电子传输能力。
要点三：增强的吸附与催化机制
DFT计算表明，FeSA-MoS₂对各类LiPSs具有最强的吸附能。Fe-S₃-Mo界面耦合通过Fe 3d与S 3p轨道杂化形成强共价锚定，同时MoS₂基底中的S原子通过静电作用吸附Li⁺，产生了显著的局部电荷聚集，极大地增强了主客体相互作用。此外，FeSA-MoS₂显著降低了LiPSs转化（尤其是Li₂S₄ → Li₂S₂/Li₂S）和Li₂S分解的能垒，证明了其卓越的双向催化能力。可视化吸附和Li₂S沉积实验进一步验证了其优异的吸附和催化性能。
要点四：卓越的电化学性能
S/FeSA-MoS₂@NC正极在0.2 C下表现出1356 mAh g⁻¹的高初始放电容量，180次循环后仍保持955 mAh g⁻¹。即使在5 C的高倍率下，仍能提供726 mAh g⁻¹的容量。原位EIS和DRT分析揭示了其优异的电荷传输能力和快速的LiPSs转化动力学。组装的大尺寸软包电池（E/S=3.5）实现了1.72 Ah的放电容量和302 Wh kg⁻¹的能量密度，展现了巨大的实用化潜力。
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文 章 链 接
Single-Atomic Fe-S3-Mo Sites Triggered Fast Redox Conversion in Li-S Batteries
https://doi.org/10.1002/aenm.202506699
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通 讯 作 者 简 介
靳俊研究员简介：中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，硕士生导师。主要从事锂硫电池、固态电池关键材料与界面设计及高比能锂电池器件研究。在Adv. Energy. Mater., Energy Storage Mater., Small等期刊发表多篇学术论文。
温兆银研究员简介：中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师，亚太材料科学院院士，亚洲固态离子学会主席，中国硅酸盐学会常务理事，固态离子学分会理事长。长期从事固态离子学与新能源材料研究，重点围绕固态锂/钠电池、钠硫电池、燃料电池、质子导体等体系开展关键材料、界面调控及器件集成研究。在Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等期刊发表大量高水平论文。
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第 一 作 者 简 介
魏小洋，中国科学院上海硅酸盐研究所在读博士研究生，研究方向为锂硫电池催化材料设计与机理研究。
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课 题 组 介 绍
中国科学院上海硅酸盐研究所温兆银研究员团队长期致力于固态离子学与新型化学电源技术研究，包括固态锂电池、钠硫电池、锂硫电池、燃料电池等。团队拥有材料合成、器件组装、电化学测试等完整的实验平台，在固态电解质、电极材料、界面调控及电池工程化方面取得了系列创新成果。团队牵头承担了国家科技攀登计划、“十三五”和“十四五”重点研发计划、国家自然科学基金重大与重点项目等在内的国家任务60余项。团队研制的固体电解质钠硫电池储能技术入选“中国十大科技进展”，获上海市技术发明一等奖等省部级一等奖3项。温兆银研究员入选上海市优秀学科带头人、上海市领军人才；获“十一五”国家科技计划执行突出贡献奖，荣获 “全国优秀科技工作者”称号；享受国务院“政府特殊津贴”，同时任Electrochemical Energy Reviews(EER)、SusMa t、Ionics、Energy Materials，Journal of Materiomics，硅酸盐学报、陶瓷学报等编委,储能科学与技术副主编。研究团队先后获得上海市、中国科学院先进集体称号，并被授予“全国工人先锋号”称号。
课题组网页：https://www.sic.cas.cn/kybm/kybm5/ktzsz/gtecdc/ktz/
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