哈尔滨师范大学张喜田/武立立&中科院金属所孙振华ACS Nano观点：高D带中心高熵合金实现高倍率长循环锂硫电池- 大数跨境

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哈尔滨师范大学张喜田/武立立&中科院金属所孙振华ACS Nano观点：高D带中心高熵合金实现高倍率长循环锂硫电池

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2025-03-02

导读：本文结合密度泛函理论（DFT）和实验表征，揭示了HEAs中多元素协同作用对电子结构的优化机制。

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文章信息

高d带中心的高熵合金可实现高倍率和长循环的锂硫电池

第一作者：韩凤凤、张莉荣

通讯作者：张喜田*，武立立*，孙振华*

单位：哈尔滨师范大学，中国科学院金属研究所

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研究背景

锂硫电池（LSBs）因其超高能量密度和高理论容量被视为下一代电化学储能设备的有力候选。然而，其商业化受限于硫还原反应（SRR）动力学缓慢及多硫化锂（LiPS）的穿梭效应。传统催化剂（如过渡金属化合物或合金）因活性位点单一、催化效率低、结构易坍塌等问题，难以满足复杂多步SRR的需求。近年来，高熵合金（HEAs）凭借成分灵活、多元素协同效应和优异的结构稳定性，展现出在催化领域的潜力。研究表明，通过调节HEAs的电子结构（如d-带中心），可优化LiPS的吸附能力并加速SRR动力学。然而，HEAs在锂硫电池中的设计策略及多元素协同机制尚不明确。本文提出基于工作函数差异调控HEAs的d-带中心，以增强LiPS吸附与催化转化性能，为高效催化剂设计提供新思路。

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文章简介

基于此，来自哈尔滨师范大学的张喜田教授、武立立教授与中国科学院金属研究所的孙振华研究员合作，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“High rate and long-cycle life of lithium-sulfur battery enabled by high d-band center of high-entropy alloys”的观点文章。该观点文章通过理论计算筛选并合成了PtCuFeCoNi高熵合金（PCFCN-HEA），提出“功函数主导的d-带中心规则”以调控LiPS吸附与催化性能。结合密度泛函理论（DFT）和实验表征，揭示了HEAs中多元素协同作用对电子结构的优化机制。

图1. PCFCN-HEA的催化还原反应示意图机理。

图2. 理论计算解释高熵合金的电子结构信息

图3.PCFCN-HEA结构表征

图4.PCFCN-HEA电子结构表征

图5.PCFCN-HEA正极的电化学性能研究

图6.PCFCN-HEA电极的动力学研究

图7.PCFCN-HEA催化机理的理论计算研究

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本文要点

要点一：提出d-带中心调控新规则

基于功函数差异，通过多元素电子转移调控HEAs的d-带中心，增强LiPS吸附能力并加速SRR动力学。

要点二：多元素协同催化机制

低功函数的Fe、Co、Cu与高功函数的Pt、Ni结合，形成电子富集活性位点，实现LiPS的强化学锚定与快速转化。

要点三：优异电化学性能

PCFCN-HEA阴极在8 C下容量达652 mAh g⁻¹，6 C下循环500次容量保持率81.5%，且在2 C下循环1500次衰减率仅0.039%/次。

要点四：实验与理论深度结合

通过X射线吸收谱（XAS）、原位拉曼及DFT计算，阐明了HEAs的电子结构优化与催化活性提升的原子级机制。

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文章链接

High Rate and Long-Cycle Life of Lithium–Sulfur Battery Enabled by High d-Band Center of High-Entropy Alloys

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c18642

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通讯作者简介

张喜田教授简介：博士生导师，龙江学者特聘教授，黑龙江省杰青。现任低维体系与介观物理黑龙江省重点实验室主任，黑龙江省科技创新团队首席专家，黑龙江省领军人才梯队“535工程凝聚态物理学科后备带头人，黑龙江省优秀硕士生导师，黑龙江省模范教师，黑龙江省劳动模范，黑龙江省高校师德先进个人。主要从事能源存储器件及其电极材料方面的研究。迄今为止，在《Adv. Mater》，《Angew. Chem. Int. Ed.》，《Appl. Phys. Lett.》，《Phys. Rev. B》，等国内外相关领域核心刊物上发表论文200多篇，授权中国发明专利8项，主持完成国家自然科学基金等课题20余项，荣获黑龙江省科学技术一等奖等省部级奖多项。

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，全省模范教师，入选黑龙江省普通高等学校新世纪优秀人才培养计划。主要从事新能源材料与器件方面的基础研究，在ACS Nano、Chem. Eng. J.、J. Energy Chem.等国际权威期刊发表SCI收录论文80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2项；授权发明专利15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。

孙振华研究员简介：无机化学博士，研究员。主要从事纳米碳基复合材料的可控制备与电化学储能研究，已在Adv Mater、Nature Commun、Chem Soc Rev、Energy Environ Sci等期刊发表SCI论文90余篇，所发表论文共计被引用6600余次，h-index为39，申请发明专利12项，获授权中国发明专利4项。作为负责人主持了国家自然科学基金委、中科院、辽宁省和企业合作项目基金等17项。担任中国颗粒学会青年理事会理事，《Transactions of Tianjin University》编委。2018年获得中国颗粒学会自然科学一等奖（排名第二）。2019年入选中国科学院青年创新促进会优秀会员。2020年入选辽宁省“兴辽人才计划”青年拔尖人才。

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第一作者简介

韩凤凤，哈尔滨师范大学物理与电子工程学院2023级博士生。主要研究领域为具有高能量密度、高稳定性的Li–S电池相关工作，包括正极硫宿主材料的结构设计、合成、功能性隔膜研发。在ACS Nano，Small, Energy Environ. Mater. 等期刊以第一作者发表多篇文章。

张莉荣，哈尔滨师范大学物理与电子工程学院2022级博士生。研究方向为材料计算模拟。在Adv. Funct. Mater., PCCP., J. Energy Chem., Chem. Eng. J., ACS Nano, J. Colloid Interface Sci.等期刊发表多篇文章.

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课题组介绍

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；受国家自然科学基金等项目支持，科研经费充裕；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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课题组招聘

长年招聘从事新型储能材料与器件相关方向（理论计算和实验研究）的事业编制教师和硕/博研究生。有意向申请者可直接发送简历至邮箱wll790107@hotmail.com。

[硕/博士招生要求]：

1. 已取得或即将取得全日制本科或硕士学位，985、211高校本科者优先。

2. 有较强的阅读专业文献、英文撰写学术论文及进行学术交流的能力，作为主要作者有发表过高水平学术论文的学生优先；

3. 具有较好的计算机应用水平，能熟练操作数据处理分析软件。