张喜田/武立立/李金金合作ACS Nano：高熵合金电催化剂双向促进长循环寿命锂硫电池中锂多硫化物的转化

第一作者：韩凤凤、汪志龙

通讯作者：张喜田*，武立立*，李金金*

单位：哈尔滨师范大学，哈尔滨师范大学，上海交通大学

锂硫电池(LSBs) 作为下一代电池系统最有前途的选择之一，由于其高理论能量密度(2600 Wh kg^-1)和比容量(1675 mAh g^-1)而备受关注。LSBs涉及多个阶段的电化学反应和相变:固态硫(S8)首先转化为液态多硫化锂(LiPSs)，最终转化为固态硫化锂(Li₂S)。这些复杂的过程给锂电池带来了独特的挑战。一个关键的问题是缓慢的氧化还原动力学和众所周知的LiPS穿梭，这总是限制硫的利用并导致快速的容量衰减，特别是在高电流密度、高硫负荷和长循环条件下。因此，开发一种双向电催化剂来促进锂硫电池的还原和氧化过程，以加速电催化转化和减轻多硫化物的积累是至关重要的。

尽管高熵合金(HEAs)的历史相对较短，但通常由五种或更多主导元素组成的高熵合金(HEAs)已经在各种新兴的能源相关工艺和应用中表现出了巨大的潜力，尤其是在催化方面。HEAs中的多种金属成分形成稳定的单相固溶体，将其与相分离的混合物区分开来。固有的高化学复杂性不仅使HEAs能够融合每种元素的各自优点，而且随着熵的增加，HEAs具有独特的性质，如晶格畸变效应，“鸡尾酒”效应和缓慢扩散效应这些特性是传统催化剂所不具备的，为HEAs提供了多种吸附位点和几乎连续的结合能分布模式，使HEAs能够对特定反应表现出催化偏好。HEAs所赋予的这些无与伦比的优势在多步骤、多电子转移和多相氧化还原转化中尤为明显。在这种情况下，HEAs可以作为高度灵活的非均相催化剂，促进多电子和多相LiPS氧化还原反应的转化。因此，迫切需要开发有效的HEAs并彻底了解其催化机制，以寻求高性能LSBs电池，这一领域目前缺乏深入的研究

近日，来自哈尔滨师范大学的张喜田教授、武立立教授与上海交通大学的李金金教授合作，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“High-Entropy Alloy Electrocatalysts Bidirectionally Promote Lithium Polysulfide Conversions for Long-Cycle-Life Lithium−Sulfur Batteries”的文章。该文章采用纳米Pt_0.25Cu_0.25Fe_0.15Co_0.15Ni_0.2 HEAs作为级联催化剂来激活LiPSs中的硫阴极。HEA纳米粒子具有优异的导电性和丰富的催化位点，可以有效地锚定LiPSs并加速双向液固转化(Li₂Sn↔Li₂S)。此外，密度泛函理论(DFT)计算揭示HEAs中与电子性质相关的协同调制。

以间苯二酚-甲醛(RF)为碳源，以四乙氧基硅烷为刚性模板，采用简单的一步法制备HC基质。采用典型的湿浸渍法将Pt^-、Fe^-、Co^-、Ni^-和CuCl₂·2H₂O混合前驱体溶液加载到HC基体上。通过热解法制备的单相Pt_0.25Cu_0.25Fe_0.15Co_0.15Ni_0.2HEA纳米颗粒尺寸约为4.12 nm，均匀分布在空心碳基体上。

本文制备的Pt_0.25Cu_0.25Fe_0.15Co_0.15Ni_0.2HEAs在Li2S氧化和还原过程均表现出优异的催化性能。

Pt_0.25Cu_0.25Fe_0.15Co_0.15Ni_0.2HEA在LSBs的长循环中均表现出优异的性能。其中，在1.0 C下，S/HEA@HC/ HCNB阴极保持了1074.6 mAh g⁻¹的放电容量，并且在2000次循环中，其每循环容量衰减率为0.034%

密度泛函理论(DFT)计算揭示HEAs中与电子性质相关的协同调制。Pt作为电子储层，而Cu和Fe主导导带并作为电子消耗位点。剩余的组分赋予了一个平滑和连续调节的电荷，促进了LiPSs的多电子反应。

High-Entropy Alloy Electrocatalysts Bidirectionally Promote Lithium Polysulfide Conversions for Long-Cycle-Life Lithium−Sulfur Batteries

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。现任哈尔滨师范大学常务副校长，光电带隙材料教育部重点实验室常务副主任，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(超级电容器和电池)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Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A、Energy Environ. Mater.等国际权威期刊发表SCI收录论文60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，在研黑龙江省自然科学基金1项；授权发明专利10项，成果应用转化6项，单项最高转化金额32万元，创造生产总产值近千万元；获得黑龙江省科学技术（自然类）一、二等奖各1项。

李金金教授简介：国家高层次人才，博士生导师，上海交通大学人工智能与微结构实验室（AIMS-Lab）主任。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市重点专项、JW科技委创新基金等项目。研究团队整合了人工智能、计算材料学、物理、化学等多学科交叉力量，建立了专业从事机器学习、材料设计和生化实验研发的综合性AI for Science研究平台（网站https://aimslab.cn）。团队发表高水平SCI论文160余篇，授权国家发明专利/软件著作权40余项，英文专著4本。团队长年招聘从事人工智能、材料设计、生物信息学等相关方向的副教授、助理教授、博士后、研究生。有意向的申请者可直接与团队联系。

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Dalton T.，Energy Environ. Mater., Small, ACS Nano以第一作者发表论文四篇。

汪志龙，上海交通大学人工智能与微结构实验室（AIMS-Lab）2024届博士毕业生，研究方向为材料基因组学与材料信息学。以第一作者在Advanced Materials、npj Computational Materials、Energy Storage Materials、Nano Energy期刊发表论文10余篇，总被引600余次，H-index为17。受邀担任Applied Surface Science、Computational Materials Science等多个期刊的审稿人。获得国家奖学金（4次）、上海市优秀毕业生等多个荣誉，多次参加国内外高水平学术会议并获得学术墙报奖。

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！