西北大学惠俊峰团队开发新型硼掺杂催化剂，提升锂硫电池性能

锂硫（Li-S）电池受到多硫化物的穿梭效应和缓慢动力学的影响，需要催化剂来加速多硫化物的转化，抑制多硫化物的穿梭。据报道，大量过渡金属化合物作为催化剂，以增强硫相关的转化动力学。然而，目前催化剂的设计仍缺乏合理的依据，充放电过程中吸附和催化的相关性问题尚未得到很好的解决，这给调整电子结构以适应催化带来了困难。为了解决这一困难，本篇观点提出了一种硼掺杂磷化二镍特殊的掺杂体系，使其表面阳离子位点具有催化多硫化物转化的高活性。这种硼掺杂导电相为构建更好的Li-S催化剂提供了另一种方法，并可能激发更多的Li-S催化剂掺杂设计策略。

近日，来自西北大学的惠俊峰教授与中科院过程所张会刚合作，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Boron-Doped Dinickel Phosphide to Enhance Polysulfide Conversion and Suppress Shuttling in Lithium−Sulfur Batteries”的研究文章。研究人员通过在Ni₂P中掺杂硼（B）原子，成功开发了一种新型的B掺杂Ni₂P（NiBP）催化剂，用以增强锂硫电池中多硫化物的转化并抑制穿梭效应。这项研究首先通过理论计算确定了掺杂相的热力学稳定性，随后采用两步法合成了NiBP催化剂。实验结果表明，B原子的掺杂导致了Ni−B键的缩短和Ni−S相互作用的加强，同时B原子向P原子的电子捐赠进一步增强了催化剂对多硫化物的吸附能力。这些结构上的改变有效激活了多硫化物的S−S键，降低了转化反应的能量势垒。

本工作选择了硼来掺杂Ni₂P以改变其表面电子态。B提供电子并诱导晶格收缩，形成更短的Ni-B键。尽管 B 和 P 之间的电负性差异很小，但B 掺杂带来了逆电子转移，并且比 Ni₂P 和 Ni₂B 的表面具有更高的多硫化物转化催化活性。由于B的半径相对较小，与Ni的键较强，B掺杂剂在Ni₂P的晶格中引入了一定程度的无序性，并推高了键合Ni原子的d轨道能级，导致多硫化物分子的显著活化，并促进了多硫化物的转化，并大大降低了势垒。

本工作使用第一性原理计算研究了不同掺杂构型的电子态密度，并通过计算结合能、差分电荷密度、晶体轨道重叠布局和键长分布深入分析了不同催化剂和多硫离子之间的相互作用，验证了B掺杂剂可以调节Ni₂P的表面电子结构，NiBP作为一种有效的催化剂，可以活化多硫化物并加速多硫化物的转化。

通过两步法合成超薄片状NiBP，采用泛函密度理论（DFT）进行第一性原理计算，研究掺杂相的热力学稳定性。SEM和TEM表征了超薄薄片聚集成花瓣的形貌特征，同时对硼元素的均匀掺杂加以验证。为了进一步研究掺杂对配位结构的调控，借助X射线吸收谱和近边扩展谱对Ni价态和Ni-P/B键长加以分析，证实了硼掺杂对电子结构的调控策略。

惠俊峰，西北大学化工学院教授，博士生导师，陕西省创新人才推进计划中青年科技创新领军人，研究方向为纳米储能材料，纳米生物医用材料等，在Advanced Energy Materials，Advanced Materials，Advanced Functional Materials，ACS Nano等期刊发表学术论文百余篇，授发明专利五十余件，曾获得国家技术发明奖二等奖、陕西省科学技术奖一等奖、中国石油和化学工业科学技术发明一等奖等多项科研奖励。

本文第一作者是中国科学院过程工程研究所和西北大学化工学院联合培养硕士生李佳潼。