苏州大学ACS Nano论文：MOFs“变形记“：动态重构如何驱动多硫化锂高效转化？

第一作者：李宏泰

通讯作者：张亮*

单位：苏州大学

锂硫（Li-S）电池因其高理论能量密度（2600 Wh kg^-1）、环境友好性和低成本硫正极材料，被视为下一代储能技术的理想候选。然而，多硫化锂（LiPSs）的“穿梭效应”和缓慢的氧化还原动力学严重制约了其实际应用，导致容量衰减快、循环寿命短等问题。近年来，引入电催化剂调控LiPSs的氧化还原行为已成为主流解决路径之一。但传统电催化剂的设计大多集中在初始材料的电子结构优化层面，忽视了活性位点的“空间结构布局”对电催化行为的潜在影响。实际上，电催化剂在循环工况下普遍经历动态结构重构，尽管电子结构工程可有效调控初始催化活性，但活性位点的动态演化机制及其与催化性能的关联仍不明确。当前核心挑战在于建立动态服役环境下活性位点演变过程的精准调控策略，需构建兼具"空间预布局"（精确调控活性位点空间分布）和"动态自适配"（循环过程结构自适应稳定）特性的催化体系。同步发展动态演化路径的原位表征手段，揭示"结构演变-催化性能"动态耦合机制，是突破高性能Li-S电池技术瓶颈的关键科学问题。

基于此，苏州大学张亮团队在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Spatiotemporal Coordination-Engineered Core−Shell Zeolitic Imidazolate Frameworks Enable Self-Adaptive Electrocatalyst Reconstruction and Self-Tandem Sulfur Conversion”的研究论文。该研究聚焦“时-空协调电催化“这一前沿领域，受到细胞膜分子识别与响应机制的启发，创新性地提出普适性核壳结构设计策略，成功实现了多硫化锂的精准自串联催化。基于核壳组分（Co、Zn）的定向构筑策略，系统阐明了ZIFs基电催化剂组成分布与动态重构行为的构效关联，并同步构建了动态演化过程的可视化表征技术。该方向的突破不仅依赖传统电子结构调控，更需将活性位点空间分布设计提升至与电子结构同等关键的维度——唯有统筹“电子态“与“空间序“的协同优化，才能从根本上解决“初始活性-循环稳定性”的矛盾，为锂硫电池实用化进程提供了新思路与技术路径。

通过在核壳ZIFs中精准调控Co、Zn的空间分布，结合同步辐射表征技术，系统揭示了电催化剂在反应过程中活性位点动态演化的本征规律——从初始相到反应诱导重构相的转变路径、中间体吸附-脱附动力学及重构层的稳定性调控机制。研究首次从原子尺度阐明了ZIFs硫化过程的本征机制，揭示了金属-有机配体键断裂-硫化的热力学竞争关系及调控原理。

将具有离子键特性的Zn−N键分布于壳层以促进Li⁺迁移，而将具有共价键特性的Co−N键分布于核芯以增强LiPSs的锚定与双向催化能力。该设计充分发挥了离子Zn的TFSI-吸附与解离能力，以及Co在LiPSs自适应重构过程中的电子结构调控优势，实现了在空间上分离Li⁺传输路径与LiPSs催化位点，从而促成了空间-时间协同的LiPSs自串联催化过程。

在电催化性能的层级理解中，四个关键指标非常明确且至关重要：1）初始放电容量：反映电催化剂的初始电催化活性；2）低电流下的容量保持率：体现电极反应的可逆程度；3）库仑效率：与电催化剂抑制多硫化锂穿梭直接相关；4）倍率性能：探讨Li⁺扩散动力学速率。通过以上指标的综合分析，可实现对电催化剂在锂硫电池体系中催化性能的多维度、层级化评价，为优化电极材料设计提供理论依据和实践指导。

“Spatiotemporal Coordination-Engineered Core−Shell Zeolitic Imidazolate Frameworks Enable Self-Adaptive Electrocatalyst Reconstruction and Self-Tandem Sulfur Conversion”

张亮，苏州大学功能纳米与软物质研究院教授、博士生导师、副院长。2013年7月毕业于中国科学技术大学国家同步辐射实验室并获得博士学位。2013年10月至2016年4月在德国埃尔朗根-纽伦堡大学（University of Erlangen-Nuremberg）担任洪堡学者。2016年5月至2018年12月在美国劳伦斯-伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）先进光源（Advanced Light Sources）从事博士后研究。2019年加入苏州大学功能纳米与软物质研究院，被聘为教授、博士生导师。

主要成果和贡献：近年来主要从事先进原位同步辐射技术与先进能源材料的交叉科学研究，具体包括：（1）高性能二次电池（锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、锌离子电池等）材料的发展与应用；（2）原位同步辐射谱学技术（XAS/XES/XPS/RIXS）的发展与应用；（3）新型原位同步辐射谱学和成像技术的研发及其在新能源材料的应用拓展。2019年独立工作以来以通讯作者在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., CCS Chem., Adv. Energy Mater., ACS Nano, Nano Lett.等期刊发表论文80余篇，论文总引用超过14000余次 (google scholar)。多篇论文被包括《U.S. Department of Energy》、《Science Newsline》、《Today at Berkeley Lab》以及《中国科学报》等多家媒体报道。受邀担任Nature, Nature Commun.等40余个知名国际学术期刊的审稿人，曾获得Advanced Science Rising Stars、英国化学会Chemical Communications Emerging Investigators 、英国物理学会Electronic Structure Emerging Leaders、英国化学会Journal of Materials Chemistry A Emerging Investigators、苏州工业园区“金鸡湖高层次人才”、江苏省“双创团队”、江苏省“双创人才”、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、江苏省333高层次人才培养工程、中组部海外高层次人才等奖励。