過程工程所在鋰硫催化劑結構調控與設計方面取得新進展
高效的硫正極催化劑可加速多硫離子轉化并抑制穿梭效應，對改善鋰硫電池性能起著重要作用。過程工程所資源化工與能源材料研究部朱慶山研究員團隊從理論上總結了六方相砷化鎳（NiAs）型到正交相磷化錳（MnP）型結構轉變所引起的電子結構變化，及其對硫正極催化劑活性的影響規律。在此基礎上，通過調整配位結構進一步優化金屬d軌道與多硫離子的成鍵作用，實現對鋰硫催化劑的精確設計。相關工作于1月30日發表在ACS Nano上（DOI：10.1021/acsnano.2c12436）。
鋰硫電池因其超高的理論比容量（1675 mAh g-1）和能量密度（2600 Wh kg-1），被認為是下一代儲能體系的有力競爭者之一。然而，中間產物多硫離子的溶解擴散導致鋰硫電池容量快速衰減，是制約其發展的主要因素，亟需開發有效的催化劑。但對催化活性位點以及催化機理認識的不足卻阻礙了硫正極催化劑的設計。
NiAs和MnP均是常用的硫正極催化劑構型，研究團隊發現，相比于NiAs型，MnP型的陽離子在垂直于c軸的平面上發生位移后，會使兩個共邊八面體的中心間距縮短，金屬-金屬鍵增強。同時，電子結構隨配位環境發生相應變化，金屬d軌道的上移或下移將直接影響催化劑和多硫離子的成鍵作用?；谏鲜鲆幝?，通過摻雜硫原子進一步扭曲[CoP6]八面體，使中心陽離子發生偏移，導致dz2軌道下移和dxz/dyz軌道上移，增強與多硫離子的成鍵作用。面向實用化的高負載鋰硫電池，將高效的硫正極催化劑和單質硫電紡封裝在多孔碳納米纖維內部，形成鏈狀結構的納米反應器，限域多硫離子的轉化反應并進行有效催化，表現出優異的電化學性能。
基于NiAs型和MnP型催化劑的結構調控示意圖
沈子涵博士為論文第一作者，張會剛研究員及朱慶山研究員為通訊作者。該工作得到了科技部重點研發大科學裝置前沿研究專項（2020YFA0406104），國家自然科學基金面上項目（22075131）和多相復雜系統國家重點實驗室（No. MPCS-2021-A）的支持。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.2c12436
（資源化工與能源材料研究部）