同济大学，英国诺森比亚大学，Advanced Science: Fe掺杂和Se-O配位的互补催化策略实现多硫化锂的高效催化转化

第一作者：杨钊

通讯作者：傅永庆*，温鸣*

单位：诺森比亚大学，同济大学（第一单位）

锂硫电池（LSBs）凭借2600 Wh・kg⁻¹的高理论能量密度，被公认为下一代能源存储系统的有力竞争者。然而，其发展仍面临三大核心瓶颈：硫本身的绝缘特性、多硫化物（LiPSs）的穿梭效应，以及氧化还原反应动力学迟缓。现有策略中，高效电催化剂的设计是突破上述瓶颈的关键途径。过渡金属氧化物（TMOs）可通过材料表面的极性位点实现对LiPSs的有效捕获，而尖晶石型Co₃O₄因对LiPSs亲和力强、反应可逆性优异等突出优势，成为极具潜力的候选催化剂。但该材料仍存在明显缺陷：导电性较差，且对 Li₂S的成核与解离能力不足，尤其在高硫负载工况下，其性能局限性更为显著。尽管掺杂工程可在一定程度上改善Co₃O₄的性能，但单一元素掺杂对LiPSs反应动力学的提升效果有限，且研究多聚焦于硫还原反应（SRR）过程。此外，以往研究中报道的阴离子掺杂策略常需依赖高温工艺，不仅导致制备成本较高，还存在反应过程难以精准调控的问题。

2025年12月5日，同济大学的温鸣教授与英国诺森比亚大学的傅永庆教授合作，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Exclusive Se-O Coordination and Fe-doping Complementation: A Catalytic Strategy for Enhanced Sulfur Redox in Li-S Batteries”的观点文章。提出了一种通过在尖晶石Co₃O₄（Fe_0.1Co_2.9O₄-Se）电催化剂中精准调控Se-O配位和Fe掺杂来增强锂硫电池中硫氧化还原的催化策略。该催化剂通过刻蚀-碳化法制备，形成交错多孔纳米结构，既利于电子/质量传输，又能暴露丰富的电活性位点。理论计算显示，Fe_0.1Co_2.9O₄-Se可实现掺杂位点向氧原子的电子转移，富电子O原子调节催化行为；Fe掺杂缩小带隙增强导电性，Se-O配位提升d能带中心以强化LiPSs吸附与催化活性，二者协同不仅可以降低LiPSs的转化能垒，还能促进Li₂S的瞬时沉积，实现Li₂S的双向催化。基于上述的优势，Fe_0.1Co_2.9O₄-Se阴极展现出优异的电化学性能。在0.5 C下500次循环容量衰减仅 0.1054%/圈；组装的软包电池进一步验证了实用价值性，在6.1 mg cm^-2的高硫负荷和E/S = 10 μL mg^-1的贫电解液条件下，经过40个圈的循环后，容量仍可保持在4.8 mAh cm^-2，凸显其储能应用潜力。

采用刻蚀-碳化法精准可控的制备了硫氧化还原电催化剂（Fe_0.1Co_2.9O₄-Se）。这种方法构筑了一个纳米十二面体框架，具有相互连接的通道和丰富的氧空位。这种设计的结构促进了快速的离子/质量传递动力学，同时提供了很大的硫容纳能力，并暴露了大量的活性位点。

Fe_0.1Co_2.9O₄-Se电催化剂中硒氧配位展现出明显优于传统阴离子掺杂类似物（例如，硒位于氧空位处与金属/氧离子配位的Se-Fe_0.1Co_2.9O₄）的结构优势。在这种优化的结构中，硒选择性地与氧空位之外的氧原子配位。这种定制的配位环境与Se-Fe_0.1Co_2.9O₄相比，显著降低了0.33 V的多硫化锂转化能垒，从而提高了硫转化的反应动力学。

在Fe_0.1Co_2.9O₄-Se电催化剂中，铁和硒共掺杂协同调节了电子结构，并优化了d轨道中心位置。具体而言，铁掺杂缩小了带隙，增强了Li₂S沉积/溶解的容量，而独特的Se掺杂则上移了d带中心，降低了Li₂S沉积/溶解的初始过电位。这种电子结构的重新配置增强了电导率，并加强了对LiPS的吸附能和催化活性。这两个因素的互补性共同促进了Fe_0.1Co_2.9O₄-Se中Li₂S的三维瞬时成核，并降低了LiPS双向转化的能垒。

所构建的S/Fe_0.1Co_2.9O₄-Se电极在比容量（0.1 C时为1432 mAh g^-1）、倍率性能（89%的可逆容量）和循环稳定性（在 0.5 C 下 500 次循环中每圈容量衰减率仅为 0.1054%）方面均表现出色。在实际贫电解质条件（E/S 比为10微升/毫克）和高硫负载（6.1 毫克/平方厘米）下，软包电池在 40 次循环后仍保持稳定的面积容量 4.8 毫安时/平方厘米，超过了锂离子电池的商业基准（4 毫安时/平方厘米）。

Exclusive Se-O Coordination and Fe-doping Complementation: A Catalytic Strategy for Enhanced Sulfur Redox in Li-S Batteries