程冲/李爽/赵长生AFM综述：多硫化物催化剂的界面微环境调控工程

第一作者：朱冉 郑炜琼

通讯作者：程冲*，李爽*，赵长生*

单位：四川大学

金属-硫电池（MSBs）由于具有较高的理论能量密度而被认为是具有广阔应用前景的下一代储能装置，然而内部多硫化物转化过程动力学缓慢引发的“穿梭效应”严重阻碍了其进一步发展。

近年来，新兴的多硫化物氧化还原催化剂（PSRCs）被认为能够加速多硫化物中间体的转化过程，从而从根本上缓解充放电过程中严重的”穿梭效应“。PSRCs与多硫化物中间体不同的键合作用与界面微环境极大的影响着其对多硫化物转化过程的调控能力；因此调控PSRCs与多硫化物中间体的键合作用与界面微环境，揭示多硫化物与PSRCs之间的构效关系对指导高性能MSBs的设计至关重要。

基于此，四川大学程冲研究员、李爽研究员及赵长生教授联合研究团队从多个维度全面总结了PSRCs的催化机制、原位表征以及键合作用和界面微环境优化等方面的最新进展。特别是针对PSRCs与多硫化物中间体的键合作用调控策略提出了独特的见解，如杂原子掺杂、异质结构建、晶面调控等。

此外，不同PSRCs中的界面微环境和本征基体效应被总结并加以详细的比较，从而揭示其在未来发展中的关键参数。最后，PSRCs正极微环境的关键设计原则也被提出，以满足MSBs在实际应用中参数需求。总的来说，该综述在设计高能量密度和长循环稳定性的MSBs上具有重要意义。

图1.多硫化物与PSRCs之间键合作用与界面微环境的调控

多硫化物在PSRCs上的催化转化过程可细分为三个步骤：PSRCs对多硫化物中间体的吸附，多硫化物的催化转化，多硫化物的可逆沉积。在多硫化物的吸附过程中，过弱或过强的键合作用都不利于后续的催化转化过程，因此，对键合作用的调控具有重要意义。在多硫化物转化过程中，如何促进多硫化物中间体与PSRCs之间的电子转移至关重要。在多硫化物的可逆沉积过程中，调控不溶性多硫化物的沉积形貌能保障溶解过程中的离子/电子供给，从而避免“死S“的形成。

对PSRCs催化机制的进一步解读依赖于先进的表征技术。各种原位表征手段，如原位XRD，原位XAS，原位Raman等能实时监测反应动力学及PSRCs自身的演变，从而揭示催化机理，指导PSRCs的设计。

图2. 多硫化物吸附过程中的优化原则

要点二：多硫化物与PSRCs键合作用的调控

PSRCs与多硫化物中间体适当的键合在实现高效催化性能，抑制“穿梭效应“上起着至关重要的作用。各种工程化的策略，如杂原子掺杂，空位工程，晶面调控等被认为能有效调控催化位点及相应的与多硫化物的键合作用，从而实现多硫化物在催化位点上的快速、可逆转化。

图3. 调控PSRCs与多硫化物中间体键合作用的工程化策略及作用效果

要点三：PSRCs的界面微环境及基材效应

具有不同界面微环境和基材效应的PSRCs在抑制“穿梭“效应上有着各自的特点，本文详细总结当前广泛应用的PSRCs，如各类金属化合物，合金，单原子，金属-有机框架材料，分析和比较了各自在界面微环境和基材效应上的优势，并讨论了其对电池性能的影响。

要点四：电极微环境的设计

考虑实用化金属-硫电池对实际能量密度的需求，电极微环境的设计通常要考虑以下几个因素：

1）具有大量的催化位点来锚定多硫化物并加速其转化；

2）快速的电子/离子传输能力；

3）较大的比表面积和孔来容纳活性物质并抵御其充放电过程中的体积膨胀。

因此，精心PSRCs形貌及电极结构至关重要。

图4. 各种具有空心结构的PSRCs

要点五：总结与展望

近年来，大量的研究已经证明了向MSBs中引入兼具吸附和催化功能的PSRCs能有效缓解“穿梭效应“，从而实现高性能的MSBs。本综述从多硫化物与PSRCs键合作用与界面微环境角度全面总结了最新的研究进展并提出了关键性的设计原则。随着当前对PSRCs构效关系认知的不断加深，高能量密度、高循环稳定性的金属-硫电池在未来有望被突破。

“Modulating Bond Interactions and Interface Microenvironments between Polysulfide and Catalysts toward Advanced Metal–Sulfur Batteries“

程冲，四川大学高分子科学与工程学院特聘研究员，博士生导师，国家四青人才，四川省特聘专家，高分子材料工程国家重点实验室固定人员，洪堡学者。主要研究方向为设计高分子基先进低维功能材料及开发其在生物医药及能源催化领域的应用，特别是基于新型配位聚合物的微纳米结构设计、功能调控、大规模制备及前沿应用开发。主持基金委重点国际(地区)合作研究项目及面上项目、四川省国际科技创新合作项目等，并参与国家重点研发计划专项1项（子课题负责人）。

以第一和通讯作者在Nature Materials、Chemical Reviews、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials (11篇)、Nano Today、Nano Letters (2篇)、Angewandte Chemie (4篇)、Advanced Functional Materials (7篇)、Advanced Science、InfoMat、Small (4篇)、Nano-Micro Letters等国内外高水平期刊上发表论文90余篇，共发表论文140余篇，总引用7000余次，H-index为50，其中11篇入选ESI高被引，18篇封面论文。

在申及授权中国发明专利22项，欧洲专利1项及PCT专利2项，并参编英文著作1章，担任InfoMat、Advanced Fiber Materials、Exploration、Carbon Neutralization, Chinese Chemical Letters等多个国际期刊的杂志（青年）编委，中国材料研究学会纤维材料改性与复合技术分会第一届理事会常务理事。荣获2020年四川省医学青年科技奖（二等奖，排名第二）、2021川渝科技学术大会优秀论文奖（一等奖1项，二等奖1项）及四川大学优秀科技人才奖。

李爽，四川大学高分子科学与工程学院特聘研究员，入选海外高层次人才引进计划（海外优青），入选四川大学双百人才工程；柏林工业大学，UniSysCat research group leader，DFG project leader。长期致力于高分子基杂化材料及其衍生的电化学催化剂的制备、精确结构调控，特别是针对配位聚合杂化材料前驱体的设计及多级结构调控等问题，开发了多种高分子基杂化前驱体，制备出一系列高性能杂化催化材料，取得了多项重要研究成果。

在国际知名期刊上共发表论文60余篇 (引用7000余次，H-index 39)。其中以第一和通讯作者身份在Nat. Mater., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Nano Today, Adv. Funct. Mater.等材料学科权威期刊上发表论文20余篇 (多篇入选ESI高被引)，撰写英文专著2章，授权欧洲发明专利、国际发明专利、中国发明专利多项。主持德国DFG研究基金1项。担任SusMat期刊青年编委。获上海市优秀硕士学位论文, “国家优秀自费留学生奖”，留德华人化学化工学会“青年化学奖”等。

赵长生，四川大学高分子科学与工程学院教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，入选教育部重点人才项目，中组部万人计划，十三五与十四五国家重点研发计划首席专家，享受政府特殊津贴。长期从事功能高分子材料的研究，特别是血液净化膜材料和吸附材料。承担国家重点研发计划项目2项，国家自然科学基金项目多项，国家自然科学基金重点项目1项，国家自然科学基金区域创新联合发展基金（四川）重点项目1项，教育部博士学科点基金2项，教育部新世纪和回国留学基金各1项，四川省青年基金1项，国家杰出青年科学基金1项，中青年科技创新领军人才计划1项，以及横向科研课题多项。

授权中国发明专利14项，转让7项，获准2个国家三类医疗器械产品注册证；以第一和通讯作者在Progress in Polymer Science, Nature Biomedical Engineering，Progress in Materials Science, Advanced Functional Materials, Biomaterials, Journal of Materials Chemistry, Biomacromolecules, ACS Applied Materials & Interfaces, ACS Macro Letters, Journal of Membrane Science，Journal of Materials Chemistry B 等国际重要期刊上发表学术论文200余篇，其中SCI收录180篇，总引用3000次，H因子为51。

担任国务院第七届学科评议组成员，中国工程教育认证协会材料类专委会委员，教育部高分子材料与工程专业教指委委员，国家级实验教学示范中心联席会材料学科组组长，中国生物材料学会青年委员会常务理事，中国生物医学工程学会生物材料分会理事，四川省生物医学工程学会常务理事。

朱冉，2021年于合肥工业大学获得工学学士学位，目前与四川大学高分子科学与工程学院攻读硕士学位，他的研究方向是高分子基微/纳米尺度催化剂用于金属-硫电池。

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