苏州大学Nano Letters：构建电子桥增强MoS2基面催化活性提升锂硫电池性能

第一作者：刘根林，严天然

锂硫电池因其超高的理论比容量和能量密度而备受关注，但其实际应用受到锂多硫化物“穿梭效应”等内在缺陷的制约。过渡金属硫化物由于其独特的层状结构和催化能力，在改善锂硫电池的多硫化物转化方面显示出巨大潜力。然而，传统二硫化钼材料的低导电性和有限的边缘活性位点严重限制了其催化性能。在本研究中，我们提出了一种通过电子桥策略激活二硫化钼基面催化活性的新方法。通过将碳层和铁原子协同引入二硫化钼层间，构建高效电子传输网络，并诱导电子态重新分布，显著增强了多硫化物的催化转化。该策略不仅提升了锂硫电池的比容量和循环稳定性，还拓展了过渡金属硫化物在电催化反应中的潜在应用。

基于此，来自苏州大学的张亮教授与中国科学院上海高等研究院曾建荣博士等合作在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Enhanced Basal-Plane Catalytic Activity of MoS₂ by Constructing an Electron Bridge for High-Performance Lithium−Sulfur Batteries”的观点文章。该文章提出的电子桥策略大大改善了二硫化钼的基面活性位点，显著提升了二硫化钼对于多硫化物转化的催化效果，使得应用的锂硫电池有着优异的电化学性能。

图1. 电子桥策略提升二硫化钼催化活性的机理示意图。

通过构建碳层和铁原子协同修饰的层状二硫化钼复合结构，成功制备了具有高效电子传输和增强催化活性的Fe-MoS₂-C材料。首先，采用溶剂热法在二硫化钼层间插入十六烷基三甲基溴化铵作为碳前驱体，经碳化过程形成嵌碳层结构（MoS₂-C）。然后，将含铁的溶液与MoS₂-C混合，铁原子扩散至层间，并通过高温煅烧稳定其结构，形成具有S−Fe−C电子桥的Fe-MoS₂-C复合材料。扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、X射线吸收谱等分析证实了Fe原子在MoS₂中的均匀分布以及碳层的成功嵌入。

图2. 材料制备示意图。

要点二：S−Fe−C电子桥的催化机制分析

S−Fe−C电子桥通过双重机制有效提升了二硫化钼基面的催化活性。密度泛函理论计算进一步表明，该结构的电子态发生显著重排，形成了有利于电子快速转移的导电网络，并激活活性位点。一方面，电子桥在层间结构中构建了高效的电子传输路径，将高导电碳层与二硫化钼层有效连接，从而大幅提高材料的整体导电性。另一方面，电子桥诱导了二硫化钼基面内的电子态重排，激活了原本惰性的催化位点，从而增强了多硫化物的催化转化能力。在锂硫电池的放电过程中，电子桥实现了多硫化物的快速捕获与转化，避免了常见的多硫化物穿梭效应。同时，锂硫氧化还原反应的能垒显著降低，表明S−Fe−C电子桥在增强电化学性能方面的核心作用。

图3. 材料电子结构图。

要点三：电化学性能与多硫化物催化转化研究

基于S−Fe−C电子桥的Fe-MoS₂-C材料在实际锂硫电池测试中表现出卓越的电化学性能。在循环伏安测试中，Fe-MoS₂-C电极显示出更高的电流响应和更低的电极极化，证明其在放电过程中具有显著增强的氧化还原动力学。恒电位放电测试结果显示，与未修饰的MoS₂相比，Fe-MoS₂-C能够更早启动硫化锂沉积，且沉积容量显著提高，展现出更高的硫物种利用率。此外，在高硫负载和贫电解液条件下，Fe-MoS₂-C电极的锂硫电池在循环稳定性和长周期容量保持率方面表现优异。Tafel曲线拟合显示，Fe-MoS₂-C对LiPSs的氧化和还原反应均具有更低的动力学能垒，证明其作为双向电催化剂的高效性。

图3. 多硫化物催化转化实验效果图。

总结与前瞻

通过引入碳层和铁原子构建的S−Fe−C电子桥结构，我们成功激活了二硫化钼基面的催化潜力，显著提升了多硫化物的转化效率和锂硫电池的整体电化学性能。这一策略不仅突破了传统二硫化钼材料仅依赖边缘活性位点的限制，还展示了内建电子结构调控在电催化材料设计中的巨大潜力。未来，类似的电子桥结构设计理念有望进一步应用于其他过渡金属硫化物和多功能电催化系统，为先进储能与催化技术的开发提供新的研究思路与应用前景。

Enhanced Basal-Plane Catalytic Activity of MoS₂ by Constructing an Electron Bridge for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries

Enhanced Basal-Plane Catalytic Activity of MoS₂ by Constructing an Electron Bridge for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries | Nano Letters

张亮教授简介：苏州大学教授，博士生导师。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., CCS Chem., Adv. Energy Mater., ACS Nano, Nano Lett.等期刊发表论文70余篇，论文总引用超过12000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。