安徽大学鹿可&北化工曹鹏飞Science China Chemistry：固态锌硫电池的双功能硫催化载体

第一作者：王明理

通讯作者：鹿可*，曹鹏飞*，宋斌*

单位：安徽大学，哈尔滨工业大学，北京化工大学

水系二次电池具有高安全性和环境友好性的本质，是大规模储能技术的理想选择。使用Zn²⁺作为电荷载体的锌金属电池由于其容量高、原材料丰富、价格极低、氧化还原电位低等优点引起了科学家的兴趣。然而，锌离子与插入型阴极晶格之间的强静电相互作用使得其容量和循环稳定性不理想。因此，将基于转换化学的硫正极与锌金属负极耦合为实现先进的水铁电池提供了一个有希望的选择。但硫及其放电产物差的离子/电子导率、ZnS高氧化势垒以及硫缓慢的氧化还原动力学阻碍了Zn-S电化学的进一步发展。因此，迫切需要开发一种具有双向催化活性的功能载体来解决上述问题，实现可操纵的双向硫氧化还原过程。

近日，安徽大学鹿可教授与北京化工大学曹鹏飞教授合作，在国产高水平期刊Science China Chemistry上发表题为“Simultaneous acceleration of sulfur reduction and oxidation on bifunctional electrocatalytic electrodes for quasi-solid-state Zn–S batteries”的研究工作。该研究提出了一种同时加速硫还原和 ZnS 氧化的双功能电催化硫基质，以实现高效 Zn-S 电池。研究表明，N 杂原子热点更有利于促进 S 向 ZnS 的转化，而 CoO 纳米晶则大大降低了 ZnS 的活化能垒，从而抑制了歧化物种（如SO₄^2-）的形成和非活性 ZnS 的积累。因此，锚定在掺杂 N 的碳支撑硫阴极上的 CoO 具有 1172 mAh g^-1的高Zn²⁺储存容量和出色的循环稳定性，在 500 次循环后容量保持率为 71.6%，平均库仑效率高达 97.8%。同时，固态 Zn-S 袋式电池也实现了稳定循环，能量密度达到 585 Wh kgsulfur^-1。此外，死后分析表明，锌-S 电池的降解主要归因于锌阳极的有限可逆性，而不是 ZnS 的分解和/或积累。双向催化操纵硫氧化还原的方法为实现锌-S 电池的理论潜力提供了一个新的视角。

首先，利用金属有机框架作为前驱体，采用两步热解法得到了嵌入CoO纳米颗粒的氮掺杂的多孔碳（NC-CoO），并将其作为双功能催化基质。通过TEM，XRD，XPS，热重等表征确认了催化载体的成功合成以及硫的有效加载（S/NC-CoO）。

对加载在不同基质上的硫电化学性能进行了比较。如图3a-b所示，双功能催化基质可实现高效的双向硫转化，从而取得最佳的比容量、库伦效率以及速率性能。原位Raman揭示了高效硫转化过程的起源，可以看出，双向催化基质上电沉积的ZnS具有更高的电化学活性，可以轻易的被充回元素硫，从而显著提高了硫转化的可逆性。此外，理论计算结果进一步揭示，掺入碳基质的N杂原子对硫还原过程具有更高的催化活性，而CoO纳米可以有效降低ZnS的分解能垒，二者的协同催化效应实现了高效的双向硫转化路径。

通过长循环测试进一步确定了双功能基质的强大且稳定的催化活性。而后，对循环后的电池进行拆解，并将循环后的电极重新配上新的对电极组装为电池。结果显示，循环后的S/NC-CoO正极配对新的负极组装的电池容量高于使用新正极与循环负极重新组装的电池的容量，表明负极一侧可能是电池容量衰减的主要原因。此外，还通过烧杯电池以及死后表征进一步确定了S/NC-CoO正极的稳定性。最后，研究者还制作了准固态锌硫电池，确定了该正极的实用化前景。

Simultaneous acceleration of sulfur reduction and oxidation on bifunctional electrocatalytic electrodes for quasi-solid-state Zn–S batteries

鹿可教授简介：安徽大学教授，江苏省姑苏创业领军人才。2018年在山东大学获得博士学位(导师:马厚义教授)；2017年到2018年，在同济大学进行固态锂/钠电池项目博士联培(导师:黄云辉教授/罗巍教授)；2018年到2020年，在美国Northern Illinois University/Argonne National Laboratory从事博士后研究。在Sci. China Chem.、CCS Chem.（2）、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed. (4)、ACS Nano (3)、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater. (4)、Chem. Sci. (4)、Energy Storage Mater.、Small.、 J. Mater. Chem. A (6)等期刊上发表SCI论文80余篇。课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/look

曹鹏飞教授简介：北京化工大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，教育部重点实验室副主任，现任国产高水平期刊Supramolecular Materials和英国皇家化学会高分子材料顶刊RSC Applied polymers副主编，美国化学学会Macromolecules（高分子旗舰杂志）、美国材料学会MRS Communications和Scientific Reports编委。入职北化材料学院之前任美国能源部旗下橡树岭国家实验室正式研究员（永久岗位，独立PI）。以通讯作者或第一作者在Matter、 Angew. Chem.、 Macromolecules、Adv. Energy Mater.、ACS Energy Lett.、Adv. Funct. Mater.、Mater. Today等国际主流期刊发表论文60余篇，撰写著作章节3部，获得授权国际发明专利9项。此外，还获得美国化学会2021年高分子杰出青年研究奖（ACS-PMSE Young-Investigator Award），2023年材料科学之星（ACS-Rising Star in Materials Science）。

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