重磅 汪国秀教授，王云晓教授，赖伟鸿发表Nature子刊：理解单原子催化剂的电荷转移效应，以提高钠硫电池的性能

第一作者：雷耀杰，鲁昕欣

通讯作者：赖伟鸿，王云晓，Michel Armand, 汪国秀

单位：伍伦贡大学，悉尼科技大学，上海理工大学，西班牙CIC EnergiGUNE

通过电极材料的有效电子流动对于实现高性能钠硫电池至关重要，然而环状硫分子（S₈）较差的导电性会阻碍电子通过电极结构。这种情况会导致反应不完全和产生亚稳产物。为了提高电池的性能，锚定能够促进电子的转移的活性位点（electrification units）以加速硫分子的解离并在充放电过程中增加稳定产物的选择性是非常重要的。在这里，作者开发了单原子充电策略来解决硫电极中的电子传输问题。在这篇文章中，通过机器学习建立吸附模型和电子转移理论的协同关系，可以帮助实现在实际电池测试中对理想的短链钠多硫化物的高选择性的活性位点的筛选。研究表明，原子锰位点具有较强的电子捕获和授予能力。此外，电荷转移过程促进了钠离子的重排，从而通过静电力加速了钠离子的动力学性能。这些综合效应提高了对稳定产物的选择性，并在氧化还原过程中将其转化为稳定的短链硫化产物，从而实现了室温钠硫电池的优越电化学性能。

近日，来自悉尼科技大学的汪国秀教授联合上海理工大学王云晓教授，Michel Armand教授及复旦大学赖伟鸿青年研究员合作，在Nature Communications上发表题为“Understanding the charge transfer effects of single atoms for boosting the performance of Na-S batteries”的文章。根据以往的催化理论，作者认为建立具有快速电子转移能力的弱分子间键结合力是实现硫解离低能量障碍的必要条件。硫分子的快速解离可以避免不稳定的长链多硫化钠的形成，从而增强对稳定的短链的多硫化物的选择性。为了验证这个模型，作者通过制备一系列支撑在多孔氮掺杂碳纳米球上的单原子金属催化剂（M1-PNC），实验性地研究了不同单原子对室温钠硫电池反应途径和产物选择性的影响。这些催化剂包括锰（Mn1）、铁（Fe1）、钴（Co1）、锡（Sn1）、镍（Ni1）和铜（Cu1），每种单原子都显示出不同的电子转移能力。由于更强的贡献电子能力，Mn1促进了聚多硫化物的分解，导致稳定的短链多硫化物的生成。

机器学习在室温钠硫电池领域的应用代表了该领域的一个重大进展。通过结合DFT计算、催化原理、Sabatier以及Marcus理论等电子转移理论，人们能够快速地确定室温钠硫电池的潜在催化剂。研究结果表明，建立一种具有快速电子转移能力的弱分子间键合力有望实现硫解离的低能量壁垒。

具有不同电子结构的催化剂的电子转移（ET）能力会导致不同水平的电子转移能力，从而导致不同的反应途径和产物选择性。为了研究这一现象，我们采用了原位X射线衍射（XRD）和离线X射线吸收光谱（XAS）技术来研究其动态过程，这使我们能够阐明具有不同ET能力的独特催化剂如何影响反应途径。

通过将原位透射电子显微镜充放电视频转换为强度，我们观察到纳米球中钠离子在初始钠化/去钠化过程中的扩散。这一观察突显了静电势的电子转移如何可以增强钠的扩散速率。

Understanding the charge transfer effects of single atoms for boosting the performance of Na-S batteries

汪国秀教授简介：汪国秀是悉尼科技大学杰出教授、清洁能源技术中心主任，材料化学、电化学、能源存储与转化以及电池技术方面的专家。目前，他担任《Electrochemical Energy Reviews》（Springer-Nature）以及《Energy Storage Materials》（Elsevier）的副主编。他的研究兴趣包括锂离子电池、锂空气电池、钠离子电池、锂硫电池以及用于氢生产的电催化。汪教授已发表了700多篇经过同行评议的期刊论文， 包括Nat. Energy, Nat. Nanotech, Nat. Cat., Nat. Comm., Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater., 等高水平杂志。他的论文被引用超过78,000余次，h指数为152（谷歌学术）。他被Web of Science/Clarivate Analytics评选为材料科学和化学领域的高被引科学家。

王云晓教授简介：王云晓教授目前是上海理工大学能源材料科学研究院(IEMS)副院长。王教授于2011年获得厦门大学硕士学位，并于2015年从伍伦贡大学获得博士学位。2017年，荣获澳大利亚研究理事会颁发的早期职业研究员奖（DECRA）。王教授的研究专注于各种新兴电池系统和其他能源储存技术的纳米材料设计，尤其致力于室温钠硫电池的开发。至今已发表论文120余篇，包括Nat. Chem., Nat. Commu., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater., Chem等高水平文章，被引用10000 余次，H因子58。

赖伟鸿研究员简介：赖伟鸿博士为复旦大学先进材料实验室新聘关键岗位青年研究员，入选国家高层次人才海外项目，上海市高层次人才项目。赖博士于2019年7月获澳大利亚伍伦贡大学博士学位，2019年-2022年期间分别在伍伦贡大学和悉尼科技大学进行博士后研究，2022年-2024年在伍伦贡大学担任研究员工作，于2024年3月加入复旦大学先进材料实验室。赖博士主要从事先进纳米材料合成技术开发，新型高性能、低成本储能器件的机理和应用研究。赖博士曾获澳大利亚研究理事会优秀青年学者，国家优秀自费留学生奖，伍伦贡大学优秀博士论文，优秀博士生等荣誉称号，并被获评为斯坦福世界前2%科学家。赖博士以第一/通讯作者(含共同)发表学术论文30余篇，包括Nat. Chem.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.(6)、Adv. Mater.(2)、Chem. Soc. Rev. 等，引用6000余次，，h指数为43（谷歌学术）。

雷耀杰博士简介：雷耀杰博士当前为悉尼科技大学清洁能源中心博士后研究员，合作导师为汪国秀教授。他在兰州大学获得化学学士学位，并在悉尼大学和伍伦贡大学分别获得研究硕士和博士学位。他的研究兴趣主要集中在用于室温钠硫电池正极以及固态电解质的关键材料合成。曾获国家优秀自费留学生奖，伍伦贡大学优秀博士论文，优秀博士生。至今已发表论文50余篇，其中第一作者（含共同）发表11篇，包括， Nat. Commu., Chem. Soc. Rev.，Angew. Chem., Adv. Mater., 等等。他的论文引用超过1400余次，h指数为23（谷歌学术）。