徐立强教授，AEM观点：5d金属Hf可以诱导增强B原子的p轨道活性，从而增强硫电极的反应动力学

第一作者：王斌

通讯作者：徐立强*

单位：山东大学

稳定、高效的电催化剂能够有效地加速硫物种的转化速率，从而提高锂硫电池的循环寿命和库伦效率，因此被认为是当下解决多硫化物穿梭效应的“金标准”。在本篇文章中，作者通过以Hf-MOF为前驱体，制备了由纳米颗粒组装的HfB₂球体，并通过研究发现5d金属Hf可以诱导增强B原子的p轨道活性，从而增强硫的反应动力学，提高电池电化学性能。

近日，来自山东大学的徐立强教授课题组在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Hafnium Diboride Spherical Superstructure Born of 5d‐Metal Hf‐MOF‐Induced p Orbital Activity of B Atom and Enhanced Kinetics of Sulfur Cathode Reaction”的实验论文。

该文章验证了5d金属HfB₂中B 2p轨道活性比3d金属TiB₂和4d金属ZrB₂更强。且sp3杂化产生的B的空杂化轨道与硫物种建立起路易斯酸碱相互作用，从而增强B-S键，实现抑制穿梭效应的目的。制备的电池在贫电解液（E/S=4μL mg^-1）和高硫载量（12.8 mg cm^-2）的条件下可以获得15.5 mAh cm^-2的高面容量。

我们以甲酸为调和剂，促进Hf-MOF晶体的构建。并在随后的硼化过程中，棱型结构的Hf-MOF收缩形成由纳米颗粒组装的HfB₂球体。

通过原位和非原位的电化学测试方法，我们验证了在使用HfB₂球体做为硫载体材料时，硫在放电过程中具有更低的活化能垒、更快的转化速率以及更低的放电产物Li2S的自由能，且在充电过程中也展现出更块的硫物种氧化反应速率。

锂负极的保护也是作为锂硫电池的重要研究部分。经过研究发现，我们使用HfB₂可以有效的保护锂负极，未经过未HfB₂保护的锂金属表面在循环后呈现出多孔、松散、断裂的结构。通过理论计算分析也可知，HfB₂可以促进锂离子的均匀通量，并抑制锂枝晶的生成。

B原子的一个s轨道和三个p轨道杂化后得到的四个sp3杂化轨道。它们为“特殊”的sp3杂化（1个为空轨道），空轨道可以接收硫物种提供的电子，从而产生路易斯酸碱相互作用，抑制多硫化物穿梭效应。

Hafnium Diboride Spherical Superstructure Born of 5d‐Metal Hf‐MOF‐Induced p Orbital Activity of B Atom and Enhanced Kinetics of Sulfur Cathode Reaction

徐立强 教授 简介：近年来一直致力于新型高性能碱金属二次电池、锂硫二次电池正负极电极材料及新型电催化相关材料的新颖制备方法探索、结构与性能调控及其实际应用等;相关研究属无机合成与制备化学、纳米材料、电化学, 晶体结构与性能及器件等交叉学科的前沿研究领域。在上述相关研究领域目前已在Chemical Society Reviews., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Nano，Energy Storage Materials, Nano Today, ACS Energy Lett, Chem. Mater.，Nano Research 等发表SCI收录论文100余篇并获邀撰写综述论文及封面论文多篇，相关论文已被他引6800余次；获授权国家发明专利16项;2020年获山东省自然科学贰等奖1项（第一完成人）。