近日，澳门金沙城中心化学与材料科学学院万颖教授团队在Nature子刊《Nature Catalysis》(IF = 40.7)上发表论文 “Optimising the p charge of S in p-block metal sulfides for sulfur reduction electrocatalysis”，揭示了p区金属硫化物中硫的p电荷密度对硫还原反应活性的调变规律，为锂硫电池催化材料的理性设计和高比能锂硫电池实用化技术开发提供了新思路。澳门金沙城中心为第一署名单位，化五星、尚童鑫、李欢、孙雅飞为论文共同第一作者，澳门金沙城中心万颖教授、清华大学深圳国际研究生院吕伟副研究员为论文共同通讯作者。
硫还原反应（SRR）涉及多电子转移，是获得高比能二次金属-硫电池的基本反应之一。然而，SRR反应速率缓慢，导致活性物质利用率低和电池循环可逆性差，同时活性物质硫以多硫中间体的形式溶解于电解液，造成穿梭效应，严重制约了金属-硫电池的发展。构建高效的SRR电催化剂，提高多硫化物反应速率，可有效提高硫活性物质利用率，抑制电池充放电过程中的穿梭效应。因此，硫还原反应的催化反应动力学研究是发展硫基高比能电池的关键。然而，基于催化剂电子结构和SRR活性之间的关联，针对SRR电催化材料逆向按需设计理论和方法的报道相对较少，提出一种实验可测量的电子结构参数作为描述因子，定量地描述其与催化活性以及电池性能之间的关系，对发展高效催化剂和高比能锂硫电池具有重要意义。
本文提出并通过实验证实p区金属硫化物（p-MS）中硫的p电荷密度可用于描述SRR催化剂的活性，将金属硫化物中硫的p电荷密度与SRR反应决速步（Li2Sn → Li2S/Li2S2）的表观活化能建立关联，发现p电荷密度最大的催化剂（Bi2S3）使SRR反应具有最低的表观活化能和最大的吸附活化熵。结合原位表征分析发现，不同p-MS中，金属的s(p)轨道与S的2p轨道杂化导致S电子结构的变化，S的p电子数增量（p电荷密度）最大的Bi2S3表面/次表面更易于发生硫原子的连续交换，从而促进连多硫酸盐中间体的形成，降低SRR反应表观活化能。通过电极结构优化实现了添加Bi2S3催化剂的锂硫电池在5C下稳定循环500圈，单圈容量衰减率仅0.03%；当硫负载量增加至17.6 mg cm-2时，0.02C下仍具有1246 mAh g-1的高比容量。
该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、上海市教委的资金支持。
原文网址：https://www.nature.com/articles/s41929-023-00912-9
（供稿、图片：化学与材料科学学院）
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