朱贺教授、兰司教授、吉庆敏教授，Angew. Chem.：设计栅栏型分子电催化剂助力高性能锂硫电池

第一作者：王志华

通讯作者：朱贺*，吉庆敏*，兰司*

单位：南京理工大学

锂硫电池由于其高比容量和低成本被认为是最有潜力的下一代高能量密度储能体系。但是，硫正极的反应过程中缓慢的氧化还原动力学和“穿梭效应”带来的硫物质损失限制了进一步的发展。目前，催化剂在解决硫正极转化问题上得到了广泛应用。然而，面对硫复杂的多相反应，锚定和催化位点共用的传统催化剂难以实现不同电压区间内对吸附和催化位点数量的不同需求。因此，解耦吸附作用和催化作用，设计新型结构的催化剂是进一步提高锂硫电池性能的关键。

近日，来自南京理工大学的朱贺教授、兰司教授和吉庆敏教授在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表题为“Fence-type Molecular Electrocatalysts for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries”的通讯文章。该文章提出了栅栏型分子电催化剂的新概念。在生活中，栅栏的作用是圈出一个空间环境并能选择性进出。在锂硫电池的正极-电解质界面构建带有催化位点的聚合物作为栅栏型催化剂，构建硫物质的反应空间，并提供双面贯通锂离子的冠醚催化位点。催化剂位于多硫化锂的扩散路径上，既能用阻挡取代捕获来更好的限制多硫化锂的溶出，又能使多硫化锂与催化位点紧密接触，且不会因Li+扩散通道被堵塞而造成硫失活。

选择了二(3, 4-二溴苯)并-18-冠醚-6（BD18C6）作为功能分子，红外光谱等表征确认BD18C6与多硫化锂能通过亲核取代原位聚合成CE基聚合物。在透射电镜下，清晰地在硫正极-电解液界面处观察到附着于硫颗粒表面的聚合物。在负极侧隔膜的原位拉曼等实验中，含有催化剂电池的多硫化锂信号在整个放电-充电过程中都很难被检测到。这是因为聚合物可以根据硫物种的体积变化形成合适的尺寸，将多硫化锂限制在正极侧，不会使其移动到电解质中或锂阳极表面。因此，分布在正极界面的聚合物可以充当空间“栅栏”，为液相和固相物质的反应提供合适的空间。

聚合物上分布的冠醚是优异的催化位点。核磁共振锂谱和分子静电势模拟确认该冠醚能与两个锂离子配位并能与多硫化物阴离子结合形成新的配合物。冠醚的存在改变了（多）硫化锂的分子结构，进而削弱Li-S和S-S键的解离能，从理论上优化（多）硫化锂的反应能力。通过原位XRD测试，直接监测硫化锂的演变。具有催化剂的电池在46%的放电深度出现强的硫化锂信号，比没有催化剂电池的60%要早得多，证明冠醚在分子水平上加速硫化锂的生成/氧化，从而提高锂硫电池的电催化活性。

Fence-type Molecular Electrocatalysts for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries

朱贺教授简介：南京理工大学材料学院教授，博导，国家级海外青年人才、江苏特聘教授，南京理工大学“青年拔尖选聘人才”。长期从事亚稳态材料的结构调控及其电化学功能应用研究。已发表学术论文80余篇，包括以第一/通讯作者在Nature Energy、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew Chem、Adv. Energy Mater.等高影响力期刊发表论文30余篇，包括影响因子>10文章24篇，ESI前1%高被引论文7篇，H因子33。主持国家级高层次青年人才项目、国家自然科学基金面上项目等国家级/省部级项5项。担任中国晶体学会固体局域结构专委会委员，《Chinese Chemical Letters》（中科院一区）编委，《Microstructures》首届青年编委等。

兰司教授简介：南京理工大学材料学院教授、副院长、博士生导师、纳米专业国际实验班负责人、省先进纳米结构与功能材料重点实验室主任，获国家优青、江苏省杰青、省青蓝工程团队带头人等。长期从事非晶和高熵材料、微纳材料制备和结构构筑与性能调控、中子与同步辐射原位散射等研究。主持国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金优秀青年、面上项目、国际合作项目、江苏省自然基金杰出青年基金项目等多项课题。获2022年教育部高等学校科学研究优秀成果奖（自然科学）二等奖、2022年江苏省行业领域十大科技进展、江苏省材料学会科学技术特等奖、中国国际大学生创新大赛金奖指导教师、2021年中国十大新锐科技人物等。在Nature Materials、Nature Catalysis、Nature Communications、Advanced Materials、Acta Materialia、Physical Review Letters等发表SCI论文160余篇，申请国家发明专利34项，授权9项。

王志华：南京理工大学材料科学与工程学院博士研究生，主要研究方向是锂硫电池中反应界面的理论设计。

南京理工大学高性能亚稳材料团队。致力于揭示亚稳态材料（非晶/高熵合金，低维纳米材料等）结构-性能关联本质，在生物传感、高效催化、高比能电池等功能领域取得众多原创性突破。