张喜田教授、武立立教授 AFM：单原子锚定高熵氧化物通过界面电场工程实现超级快速充电锂硫电池

第一作者：张弛

通讯作者：张喜田*，武立立*

单位：哈尔滨师范大学

锂硫电池（LSBs）相比传统锂离子电池具有更高的理论能量密度与更低的成本，并且硫元素储量丰富、环境友好，因此被认为是非常有吸引力的下一代高能量密度储能技术。但是，越来越多的研究表明，锂硫电池在实现极速充电（XFC，≤15 分钟充满）过程中面临的硫化锂（Li₂S）氧化动力学迟缓问题，会严重阻碍其实际应用。传统电催化剂虽能一定程度改善反应动力学，但难以突破极速充电场景下的性能限制。本工作构建了单原子Cu锚定钙钛矿型高熵氧化物（Cu-PHEO）催化剂体系，由Cu- PHEO 异质结诱导的界面电场重新分配了电荷密度，提高了d带中心，优化了金属活性位点的电子态分布，有效降低Li₂S分解能垒，缓解了极速充电锂硫电池中Li₂S氧化动力学迟缓与循环稳定性差的核心矛盾，为设计高性能 XFC-LSB 电催化剂提供了新的设计范式。

近日，来自哈尔滨师范大学的张喜田教授与武立立教授，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Enabling Extreme Fast-Charging Lithium-Sulfur Batteries via Interfacial Electric Field Engineering on Single-Atom-Anchored High-Entropy Oxides”的研究论文。该文章围绕极速充电锂硫电池（XFC-LSB）中 Li₂S氧化动力学迟缓、快充下容量衰减严重的核心挑战，通过创新的界面电场工程策略，在钙钛矿型高熵氧化物（PHEO）表面精准构筑单原子Cu锚定的 Cu-PHEO 催化体系。研究表明，该催化剂利用Cu与PHEO的异质结诱导的界面电场，大幅度降低了Li₂S的分解能垒。机理研究表明，界面电场可协同调控d带中心、强化 Li₂S吸附，并极化Li₂S以削弱 Li-S 键。该项成果表明高熵氧化物锚定单原子的界面电场工程是设计兼具高催化活性与高循环稳定性 XFC-LSB 催化剂的有效范式，为推进下一代极速充电锂硫电池技术提供了新的催化剂设计途径。

研究通过“高温退火-溶液吸附”两步合成策略成功在钙钛矿型高熵氧化物表面构建了单原子Cu锚定的Cu-PHEO催化体系。TEM与AFM结果表明，Cu-PHEO 纳米片具有超薄且存在显著晶格畸变等特性，有利于单原子高密度锚定，从而最大化原子利用率。 该策略为设计高负载单原子催化剂提供了普适性方法。

通过多维度表征共同证实了Cu单原子的成功锚定。XPS和同步辐射XAFS共同构成了Cu单原子与Cu-O-M键存在的强有力证据链。

通过非原位XPS分析高倍率充电期间Li₂S分解与低倍率放电期间Li₂S沉积之间的速率失衡加速了催化剂失活，严重限制了XFC-LSB性能。Cu−PHEO的优异催化能力促进高效的Li₂S分解，防止活性位点钝化进而促进LiPS转化，从而提高快充锂硫电池的循环稳定性。

Enabling Extreme Fast-Charging Lithium-Sulfur Batteries via Interfacial Electric Field Engineering on Single-Atom-Anchored High-Entropy Oxides

张喜田教授简介：龙江学者特聘教授，黑龙江省杰出青年基金获得者，享受国务院特殊津贴专家，教育部高等学校物理学类专业教学指导委员会，黑龙江省科技创新团队首席专家，黑龙江省研究生优秀导师，黑龙江省高校教师年度人物和黑龙江省劳动模范。 目前，主要研究方向为电化学能源与储能器件。先后主持完成多项国家自然科学基金项目等课题。作为第一完成人荣获黑龙江省科学技术奖一、二、三等奖各1项；在Adv. Mater.，Angew Chem. Int. Ed., Adv. Func. Mater., ACS Nano, Appl. Phys. Lett.，Phys. Rev. B等国际著名期刊发表109篇SCI收录文章，均为第一作者或通讯作者；获得授权国家发明专利13项，其中转化7项。

武立立教授简介：哈尔滨师范大学物理与电子工程学院教授，博导，黑龙江省模范教师，黑龙江省普通高等学校新世纪优秀人才。主要从事新能源材料与器件方面的基础研究，在Energy Storage Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano等国际权威期刊发表SCI收录论文100余篇，主持完成国家自然科学基金2项、黑龙江省自然科学基金3项；授权发明专利22项，成果应用转化8项；获得黑龙江省科学技术（自然类）一、二等奖各1项。

张弛，哈尔滨师范大学物理与电子工程学院2023级博士生。师从张喜田教授、武立立教授。主要从事锂硫电池正极材料改性方面的研究。

课题组主要由哈尔滨师范大学张喜田教授、武立立教授等多位专家和青年才俊组成。实验室面积超过2000 m2，主要从事新能源材料与器件的研究，如锂硫电池中正、负极材料。课题组与世界多所顶尖大学建立学术联系，派送多名优秀学生到清华大学、香港中文大学、澳门大学联合培养

哈尔滨师范大学坐落于素有“冰城夏都”美誉的历史文化名城哈尔滨，是黑龙江省教育、艺术、人文社会科学和自然科学的重要人才培养基地和科学研究基地，是黑龙江省属重点建设的高水平大学，是教育部本科教学工作水平评估优秀学校。学校是国家“中西部高校基础能力建设工程”高校，是“十三五”时期国家重点支持建设的百所中西部本科院校之一。

新型储能材料与器件课题组隶属于光电带隙材料教育部重点实验室，实验室面积为5000平方米，设备总值为5000万，实验设备齐全；与国内外知名学者建立了良好的合作关系，成绩优秀者可联合培养。热忱欢迎有抱负、勤奋、积极进取的物理、化学或材料背景的青年学子加入！

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