北京理工大学王振华教授、孙克宁教授&悉尼科技大学汪国秀教授ESM：钽单原子催化助力锂硫电池高效硫转化

第一作者：王坦

通讯作者：王振华*，孙克宁*，汪国秀*

单位：北京理工大学，悉尼科技大学

锂硫电池因其高能量密度（2600 Wh kg^-1）和高理论比容量（1675 mAh g^-1）而具有巨大的潜力。然而，多硫化锂（LiPS）严重的穿梭效应及迟钝的转化动力学成为了阻碍锂硫电池发展的主要问题。值得注意的是与溶液相比，固相Li₂S₂表现出相当低的分子迁移率。这种差异导致LiPS在阴极表面上的积聚，对电化学性能构成挑战。因此，为了加速固-固转化动力学，有必要设计具有不同串联催化功能位点的有价值的电催化剂。这种设计使催化剂能够有效地捕获和驱动LiPS，全面确保液固和固固的整个催化过程的各个阶段均能协同进行。

近日，来自北京理工大学的王振华教授、孙克宁教授团队联合悉尼科技大学的汪国秀教授，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“ A tandem catalysis to accelerate solid–state sulfur conversion in lithium–sulfur batteries”的研究文章。该文章首次报道了具有双活性位点的不对称Ta-N₅单原子催化剂（Ta-SAs/NC），其设计旨在触发串联催化，从而促进LiPS的逐步转化。这种不对称的Ta-N₅配位环境诱导电子重新分布，从而增强Ta 5d和S 3p轨道之间的d-p杂化。在这种串联催化过程中，Ta-S键主要加速LiPS的液固转化，而N₅-Li（N₅代表Ta-SAs/NC中的第五个N原子）键则是后续固固转化的主要活性位点。当应用在锂硫电池时，电池表现出卓越的循环稳定性和倍率性能。在7C高电流密度下循环500次，电池仍具有90.42%的高容量保持率。

使用具有可调节孔结构和丰富活性位点的MOF前体，通过热分解策略制备了Ta-SAs/NC催化剂。通过深入分析证实了Ta以单原子分散。且Ta原子通过与五个氮原子配位而高度分散和稳定，形成明确的Ta-N₅结构。

证明Ta-SAs/NC对Li₂S₆的强吸附能力，且催化剂的双位点可以有效加速硫转化的动力学。DFT计算进一步阐明Ta-SAs/NC中的Ta-S键区域比NC中的N-S键区域具有更大的电荷消耗，且与不同LiPS的结合能更高，对应于强烈的化学亲和力，因此可以有效地抑制多硫化物的溶解和迁移。值得注意的是，Ta-SAs/NC表现出最简单的Li₂S₂-Li₂S转化活性，表明Ta-SAs-NC显著降低了固-固转化的热力学能垒。

具有Ta-SAs/NC中间层的电池显示出优异的倍率性能和稳定的循环性能。通过QL/QH比值的持续升高进一步突显了Ta-SAs/NC在推动LiPS有效转化方面的卓越催化能力，突显了其在长时间循环过程中加速硫化学和提高电化学性能的能力。其次，在高硫负载下（5.03 mg cm⁻²）的电池具有5.72 mAh cm⁻²的高初始面容量，在30次循环后仍保持5.01 mAh cm^-2的高面容量，相当于87.59%的容量保持率。与最近报道的单原子催化剂应用于锂硫电池相比，本研究开发的钽基单原子催化剂在长循环稳定性方面表现出明显的优势。

王振华教授简介：北京理工大学化学与化工学院长聘教授，博士生导师，化学电源与绿色催化北京市重点实验室副主任，中国颗粒学会青年理事。长期从事新型电池材料的分子结构设计与界面调控、电子/离子在界面和体相的传递规律、能源材料的可控制备及构效关系等研究，开发材料的规模化制备技术，研制高比能储能器件及高效能量转化装置。在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、 Adv. Energy Mater.、ACS Energy Lett.、ACS Nano等期刊发表SCI论文100余篇，曾获国家技术发明二等奖1项、教育部科技进步一等奖1项。

汪国秀教授简介：悉尼科技大学杰出教授，清洁能源技术中心主任，欧洲科学院院士、国际电化学会会士、英国皇家化学会会士。1987年毕业于浙江工业大学腐蚀与防护专业，2001年获得澳大利亚伍伦贡大学博士学位。长期从事且深耕于材料化学、电化学、能源储存与转换和电池技术领域，研究方向包括锂离子电池、锂空气电池、钠离子电池、锂硫电池和电催化制氢。目前担任国际期刊Electrochemical Energy Reviews和Energy Storage Materials副主编。汪国秀教授发表了700余篇学术论文，引用次数超过79600次，h-index高达154(Google Scholar)，入选Web of Science/Clarivate Analytics高被引学者(Materials Science and Chemistry)。