李喜飞教授&孙学良院士AFM：异质结构活性中心d带工程助力调控锂硫电池多硫化物催化转化

第一作者：段瑞贤

通讯作者：李喜飞，孙学良

单位：西安理工大学，宁波东方理工大学

锂硫电池因高理论能量密度、硫资源丰富且环境友好，成为下一代储能技术的重要候选，但实际应用中面临硫及多硫化物绝缘性强、“穿梭效应”导致容量衰减快、硫 氧化还原转化动力学缓慢等问题。异质结构宿主凭借多组分协同作用，在提升硫电化学过程效率、逼近硫正极理论容量方面展现出显著优势，成为解决上述问题的关键策略之一。然而，当前研究中，异质结构宿主的活性中心识别模糊、本征电子结构变化解析不明确，且界面-电子结构-活性中心-电化学性能之间的内在关联尚未厘清，极大制约了高效异质结构宿主的理性设计与应用。针对这一核心挑战，通过构建蛋黄-壳状 MoS₂-MoSe₂异质结构，从定性与定量角度系统探究其电子结构调控机制与活性中心特性，为锂硫电池性能突破提供关键支撑。

近日，西安理工大学李喜飞教授团队、宁波东方理工大学孙学良院士、格林美股份有限公司张坤博士，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Heterostructure-Driven D-Band of MoS₂ Engineering Catalytic Polysulfide Conversion in Lithium–Sulfur Batteries”的研究文章重要研究成果。该研究通过过量浸渍法成功构建蛋黄-壳状C@MoS₂-MoSe₂异质结构，结合定性与定量分析，深入探究异质结构形成过程中的内建电场强度、电子结构（d带中心）及界面键合特征，发现MoSe₂占比提升时，内建电场强度增强、d轨道更接近费米能级，对多硫化锂的吸附能力显著提升。将其用作硫宿主时，表现出优异的电化学性能：4C电流密度下经过1000次循环，每次循环容量衰减仅0.04%；1C下容量保持率高达90.5%。同时，通过第一性原理计算对比异质结构不同活性位点（MoS₂侧、MoSe₂侧、异质界面处）的多硫化物吸附能力，明确MoS₂侧是催化硫电化学过程的活性中心；进一步分析表明，异质结构内电子定向转移效应促使MoS₂侧Mo与S原子间d-p轨道杂化程度增强，这是`轨道靠近费米能级的关键，最终实现多硫化物的高效吸附与转化。

采用过量浸渍法，以碳球为基底引入Mo、S、Se源并经后续处理，成功构建蛋黄-壳状MoS₂-MoSe₂异质结构（C@MoS₂-MoSe₂）；通过定性与定量研究，系统分析异质结构形成过程中的内建电场变化、电子结构（d带中心）特征及界面键合情况，证实该制备方法可实现对异质结构关键特性的有效调控，为后续电子结构与电化学性能关联研究奠定结构基础。

通过调节MoS₂与MoSe₂的两相占比，实现对内建电场强度与 d 带中心的精准调控：随着MoSe₂占比提升，内建电场强度逐渐变强，Mo的d轨道能量更接近费米能级，对多硫化锂的吸附能力随之增强；深入研究发现，异质结构内存在电子定向转移效应，该效应促使MoS₂侧Mo与S原子间d-p轨道杂化程度显著增强，这是d轨道靠近费米能级的核心原因，为多硫化物的高效吸附与转化提供电子结构支撑。

将C@MoS₂-MoSe₂用作锂硫电池硫宿主时，展现出卓越的循环稳定性与倍率性能：在4C高电流密度下经过1000次循环，每次循环容量衰减仅为0.04%，有效抑制“穿梭效应”导致的容量损耗；1C 电流密度下循环100次，容量保持率高达90.5%，体现出对硫电化学过程的高效催化作用，性能优于多数已报道的异质结构硫宿主体系。

结合第一性原理计算，对比分析C@MoS₂-MoSe₂不同活性位点（MoS₂侧、MoSe₂侧、异质界面处）的多硫化物吸附能力，明确异质结构的MoS₂侧是催化硫电化学过程的活性中心，其对多硫化锂的吸附能显著高于MoSe₂侧与异质界面处；该活性中心通过增强的d-p轨道杂化作用，降低多硫化物转化的能量壁垒，加速硫氧化还原反应动力学，进一步验证了电子结构调控与电化学性能的内在关联。

本研究在异质结构调控与机制解析方面实现两大创新：一是通过定量调控MoS₂与MoSe₂的两相占比，成功实现对内建电场强度与d带中心的有效调节，突破传统调控方式的局限性，为精准设计异质结构提供新思路；二是不同于以往研究中聚焦异质界面强化的机制，提出异质结构中存在特定活性中心（MoS₂侧），系统阐明d带中心变化与活性中心辨识、轨道杂化程度及电化学性能之间的作用关系，完善了异质结构催化硫电化学过程的理论体系。

Heterostructure-Driven D-Band of MoS₂ Engineering Catalytic Polysulfide Conversion in Lithium–Sulfur Batteries

李喜飞教授简介：西安理工大学教授（二级）、博士生导师，材料科学与工程学院院长、先进电化学能源研究院执行院长。先后入选国家级人才、英国皇家化学会会士、科睿唯安“全球高被引科学家”（2018-2024年）、爱思唯尔“中国高被引学者”（2021-2024年）、2024年全球前0.05%顶尖学者（全球排名2083/6270；中国排名528/1600）等，享受国务院政府特殊津贴，被授予国家有突出贡献中青年专家、全国石油和化工行业优秀科技工作者等，获陕西省自然科学二等奖（1/6）、中国石油和化学工业联合会科学技术二等奖（1/9）、陕西高等学校科学技术奖一等奖（1/11）等。已在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Joule、Energy Environ. Sci.等期刊发表学术论文460余篇，引用33000多次，H因子97，75篇论文被评为ESI1%高被引论文。

孙学良院士简介：中国工程院外籍院士、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、宁波东方理工大学讲席教授、物质与能源研究院院长、Electrochemical Energy Reviews (IF=36.3)期刊创刊主编。曾任加拿大西安大略大学教授，2023年曾获加拿大西安大略大学“杰出教授奖”、2022年曾获加拿大安大略省纳米协会“终身成就奖”、2020年曾获“天津市海河友谊奖”、2019年曾获加拿大西安大略大学“最高研究成就奖”、2018年曾获加拿大化学学会“材料化学研究成就奖”、2013年曾获“加拿大国家资深首席科学家”、2010年曾获加拿大西安大略省“青年科学家研究奖”。主要从事全固态电池、锂离子电池和燃料电池基础和应用研究，近年来在新型卤化物固态电解质及其全固态电芯开发方面做出了一系列原创性成果。在Nature, Nat. Chem., Nat. Energy, Nat. Mater., Nat. Nanotechnol., Nat. Chem. Eng.等权威期刊发表论文720余篇，被引用85000余次，H因子155。曾荣获国际最具权威电池技术奖（全球每年授予1人）等荣誉。连续7年入选科睿唯安“全球高被引科学家”和“全球前2%顶尖科学家”榜单。主持或负责各类重大科研项目50余项，获资助约3.5亿元人民币，申请56项专利（授权26项）。