深圳大学&北京高能物理研究所CEJ：Mn-N4单原子催化高载量锂硫电池多硫化物转化

第一作者：周婷

通讯作者：梁健能*，郑黎荣*，张黔玲*

单位：深圳大学，高能物理研究所

锂硫（Li-S）电池因其较高的理论能量密度，且价格低廉、环境友好、自然储量丰度高，而被认为是极具潜力的新一代储能设备。然而，活性物质导电性差、转化速率低、中间产物多硫化锂（LiPSs）发生穿梭、电极膨胀严重以及锂枝晶等问题，严重影响了锂硫电池的实际放电容量和循环稳定性。本项工作我们通过热解法成功合成Mn基单原子催化剂（SAMnN@C），在0.1 C下的首圈放电容量为1400 mAh g^-1，能在1 C下稳定运行1000圈，每循环容量衰减率为0.051%。其次，我们还证明了Mn-N₄基SAC能显著促进Li₂S₂→Li₂S的转化反应。本文为未来的研究提供了方向，有助于加速锂硫电池单原子催化剂（SAC）领域的研究及实际应用。

近日，深圳大学张黔玲/刘剑洪团队，梁健能研究员和高能物理研究所郑黎荣研究员在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Accelerating polysulfides conversion by constructing Lewis acidic Mn-N₄ single atomic sties for Li-S battery with high sulfur loading”的文章。该文章证实了Mn单原子催化剂的成功合成，探究其作为锂硫电池催化剂正极的显著性能，并利用一系列表征手段研究其催化机理。

采用Mn-N₄结构的锰基SAC作为锂硫电池的催化剂。前人的研究表明，过渡金属对LiPSs氧化还原反应的催化活性顺序为：V>Mn>Ru>Fe>Co>Zn。考虑到V是有毒且昂贵的，我们认为Mn是构建Li-S电池SAC的最佳候选者。因此，我们通过热解法以制备Mn基SAC，并利用AC-HAADF-STEM结合XANES表征手段，证实Mn原子是以Mn-N₄结构稳定锚定在碳基底上，实验结果验证了它对LiPSs转化具有优异的催化活性和稳定性。

采用SAMnN@C基S活性材料复合正极组装的Li-S电池可实现优异的电化学性能，在0.1 C下的首圈放电容量为1400 mAh g^-1，而在1 C下稳定运行1000圈，每循环容量衰减率为0.052%。其次，在高硫负载量下，其同样可保持较高的电化学性能。当S的负载量增加到4.3、5.7 mg cm^-2时，电解液为~5 μl（mg S）-1时，Li-S电池在几个初始循环中仍能释放1000 mAh g^-1和960 mAh g^-1的容量（面积容量分别为4.3 mAh cm^-2和5.5 mAh cm^-2），并表现出稳定的循环性能。

本项工作还通过密度泛函理论（DFT）、循环伏安法（CV）、原位拉曼测试和扫描电镜（SEM）等手段，揭示Mn基SAC在促进Li-S电池反应动力学方面的机理。机理研究表明，Mn-N₄基SAC能显著促进Li₂S₂→Li₂S的转化反应，其存在使Li₂S₂→Li₂S的转化反应成为自发过程，这是由于制备的Mn基催化剂具有较高的比面积和活性基团利用率。其次，Mn-N₄位点与Li₂S₂中的S原子之间独特的Lewis酸碱相互作用有效地削弱了S-S键，降低了Li₂S₂的分解能垒，从而加速了Li₂S₂→Li₂S转化缓慢的固态反应。

Accelerating polysulfides conversion by constructing Lewis acidic Mn-N₄ single atomic sties for Li-S battery with high sulfur loading

张黔玲，深圳大学化学与环境工程学院教授，博士生导师。2001年毕业于中山大学化学专业，获博士学位。2001年7月起在深圳大学工作。担任国家自然科学基金通讯评议专家、广东省自然科学基金通讯评审专家、国际学术期刊Energy & Environmental Science、Applied Catalysis B: Environmental等特约审稿人。近年来一直从事石墨烯及其复合材料的设计合成及其在能源存储与转化等方面的应用研究，取得很多创新性成果。近年来主持完成10多项国家自然科学基金、国防973项目子课题、广东省自然科学基金项目 、深圳市重大产业技术攻关项目和深圳市基础研究重点项目等；在Energy & Environmental Science、Science China Chemistry、Applied Catalysis B: Environmental等期刊上发表SCI收录论文200多篇，论文被他引4000多次；获广东省科技进步二等奖1次、广东省科技进步三等奖1项、深圳市科技进步一等奖1项、二等奖1项；申请获得国际、国内发明专利40多项；2006年被评为广东省高等学校“千百十工程”校级培养对象， 2009年被认定为深圳市高层次人才地方级领军人才，2021年被评为深圳大学优秀学者。

郑黎荣：博士，现任职于中国科学院高能物理研究所多学科中心XAFS实验站，硕士生导师。2009年毕业于中国科学院高能物理研究所，凝聚态物理专业。2009年起任职于北京同步辐射装置XAFS实验站，2018年8月起担任北京高能光源X射线吸收谱学线站的系统负责人。主要从事同步辐射X射线吸收谱学实验技术、高压XAFS实验方法和同步辐射光束线模拟等的研究。

梁健能，本科毕业于中南大学，博士毕业于加拿大西安大略大学，师从孙学良院士。深圳市海外高层次人才获得者。长期担任国际学术期刊Chemical Engineering Journal，Frontiers in Chemistry等期刊审稿人。主要从事的研究工作集中在固态电解质的合成、固态锂离子电池、固态锂硫电池、界面工程、以及使用原位表征技术对电池的界面物理、化学性质等方面的研究，并取得了多项原创性成果。已发表超过55余篇SCI论文，他引次数>3900次，H因子35。中以第一作者/共同第一作者，或通讯作者/共同通讯作者在Adv. Energy Mater., Nano Energy, Energy Storage Mater., J. Mater. Chem. A等国际著名期刊上共计发表15篇论文，申请中国专利4项。