鋰硫電池以硫轉(zhuǎn)換反應(yīng)為核心，具有高能量密度和成本優(yōu)勢(shì)，是下一代儲(chǔ)能技術(shù)極具潛力的候選者之一。然而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，硫轉(zhuǎn)換反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)通常較為緩慢，限制了電池的實(shí)際性能。單原子催化劑，尤其是新興的高熵單原子催化劑能夠有效提升硫轉(zhuǎn)換反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，但其背后的化學(xué)機(jī)制尚未明晰，常被簡(jiǎn)單歸結(jié)為協(xié)同或熵增效應(yīng)。這種模糊的認(rèn)識(shí)極大地阻礙了單原子催化劑的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化。
中國(guó)科學(xué)院金屬研究所先進(jìn)炭材料研究部科研人員在前期研發(fā)高效鋰硫電池催化劑的基礎(chǔ)上（Nat. Commun. 2017,8,14627;J. Energy Chem. 2021,54,452;Energy Storage Mater. 2022,51,890;Adv. Funct. Mater. 2024,34,2308210.），采用第一性原理計(jì)算與實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合，揭開(kāi)了這一“黑箱”，在單原子催化劑領(lǐng)域取得新進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)中心金屬原子間的長(zhǎng)程相互作用是影響催化性能的關(guān)鍵?；谶@一新認(rèn)知，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高熵單原子催化劑元素種類(lèi)和占比的精準(zhǔn)定位，有效促進(jìn)了硫轉(zhuǎn)換反應(yīng)，顯著提升了鋰硫電池性能。研究成果近期以“The Role of Long-Range Interactions between High-Entropy Single-Atoms in Catalyzing Sulfur Conversion Reactions”為題發(fā)表于材料領(lǐng)域的《Advanced Materials》，因?qū)W術(shù)價(jià)值、創(chuàng)新性、應(yīng)用潛力入選了扉頁(yè)論文（Adv. Mater. 2025,37,2413653，圖1）和 “Editor's Choice”文章。
該研究發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了不同中心金屬原子間存在非鍵合作用的長(zhǎng)程相互作用，作用范圍在亞納米距離內(nèi)（圖2）。這種長(zhǎng)程相互作用影響中心金屬原子的d電子占據(jù)狀態(tài)，導(dǎo)致非典型價(jià)態(tài)。熵的增加進(jìn)一步促進(jìn)了中心金屬原子中d電子和基底碳原子中π電子的重排。根據(jù)這些新認(rèn)知在第四周期過(guò)渡金屬中篩選出了五個(gè)潛在的高性能中心金屬原子（Mn,Fe,Co,Ni,Cu），基于此設(shè)計(jì)的高熵單原子催化劑可有效地調(diào)節(jié)硫化物的吸附和轉(zhuǎn)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，同時(shí)提高被吸附硫化鋰的電子導(dǎo)電性。所組裝的鋰硫電池在10 C的高倍率下具有800 mAh g-1的初始容量，并可穩(wěn)定循環(huán)200圈以上（圖3）。這一研究成果為單原子催化劑的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要的理論支撐，并有望推動(dòng)高比能鋰電池技術(shù)的突破與創(chuàng)新。
金屬所博士生張煜為論文第一作者，李峰研究員、孫振華研究員和于彤副研究員為論文的通訊作者。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
圖1. 論文扉頁(yè)
圖2. 高熵單原子催化劑種長(zhǎng)程相互作用示意圖
圖3. 鋰硫電池性能
