化材学院杨植教授团队在国际著名刊物ACS Nano上发表学术论文

锂硫电池具有超高能量密度和低成本的特点，是下一代动力电池的有力竞争者。当前，锂硫电池商业化面临的关键挑战是缩短多硫化锂（LiPSs）中间体的存在时间，同时加速固相转化反应。为此，学术界的主要解决思路是将硫限制在具有定制表面的纳米结构中，并引入催化促进剂以结合LiPSs/Li₂S，降低转化过程中的能垒。然而，传统金属基催化剂的高重量占比牺牲了电池的能量密度，表面暴露的有限活性位点无法构建充足的导电剂/催化剂/电解质三相转化界面，致使LiPSs在电解液中的大量积累，这将导致硫与电极失去紧密接触，阻碍电子/离子传输，并引起锂阳极的腐蚀。调控硫还原反应 (SRR)，特别是 LiPSs向 Li₂S（占总容量的75%以上）的转化，以快速降低电解液中的 LiPSs浓度是解决该问题的关键。为此，迫切需要设计高效的SRR催化剂，并形成新的SRR催化理论。

近日，我校杨植教授课题组在国际著名化学期刊《ACS Nano》发表了题为”Sulfur Reduction Catalyst Design Inspired by Elemental Periodic Expansion Concept for Lithium–Sulfur Batteries”的论文。该工作受启发于天然酶中Fe/N活性位点具有高效的氧还原反应特性（Fe/N→ORR），提出周期扩充催化的概念：利用位于Fe/N下一周期的Ru/P，构建仿生催化分子，协同催化锂硫电池中硫的还原反应（Ru/P→SRR）。

作为该理论的验证，设计了具有RuP₂构型的仿生分子催化剂（环戊二烯基双（三苯基膦）氯化钌（II），CTRu）用于Li-S电池的插层膜（CNTs-S@G/CTRu），其可有效吸附LiPSs、优化Li⁺迁移路径，并大幅促进SRR。借助原位紫外、原位拉曼和原位红外光谱等实验手段以及DFT计算系统地研究了Ru和P原子在SRR协同效应中的作用。确定空间位阻效应的消除及金属d带中心和非金属p带中心的强电子轨道耦合是SRR中周期扩充催化的本质原因。结果表明，仅需~0.5 %质量占比的CTRu催化剂就能使锂硫电池在高硫负载量（6.5 mg cm^-2）和低电解质/硫比（9 μL mg^-1）下表现出良好的循环稳定性。这项工作为SRR分子催化剂的设计提供了一条新思路，同时，也为锂/钠/镁–氧/硫/硒电池等相关储能领域精准筛选催化剂提供了新的见解。

相关研究结果发表于近期的《ACS Nano》（DOI: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c00515），BAT365唯一官网为第一通讯单位，BAT365唯一官网2019级研究生东洋洋为第一作者，化材学院蔡冬博士与杨植教授为该论文共同通讯作者，相关工作受到国家自然科学基金（22109119、51972238、22105147、21875166）、浙江省自然科学基金（LR18E020001、LQ22B030003）、温州市基础科学研究项目（G2020002、H20210006）、温州市重大科技创新项目（ZG2021013）等项目的资助。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c00515