顆粒在線訊：高效的硫正極催化劑可加速多硫離子轉(zhuǎn)化并抑制穿梭效應(yīng)，對(duì)改善鋰硫電池性能具有重要作用。中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所資源化工與能源材料研究部研究員朱慶山團(tuán)隊(duì)從理論上總結(jié)了六方相砷化鎳（NiAs）型到正交相磷化錳（MnP）型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變所引起的電子結(jié)構(gòu)變化及其對(duì)硫正極催化劑活性的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整配位結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化金屬d軌道與多硫離子的成鍵作用，研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰硫催化劑的精確設(shè)計(jì)。相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Nano上。 

　　鋰硫電池因超高的理論比容量（1675 mAh g-1）和能量密度（2600 Wh kg-1），被認(rèn)為是下一代儲(chǔ)能體系的有力競(jìng)爭(zhēng)者之一。然而，中間產(chǎn)物多硫離子的溶解擴(kuò)散導(dǎo)致鋰硫電池容量快速衰減，是制約其發(fā)展的主要因素，亟需開(kāi)發(fā)有效的催化劑。然而，對(duì)催化活性位點(diǎn)以及催化機(jī)理認(rèn)識(shí)的不足卻阻礙了硫正極催化劑的設(shè)計(jì)。 

　　NiAs和MnP均是常用的硫正極催化劑構(gòu)型。研究發(fā)現(xiàn)，相比于NiAs型，MnP型的陽(yáng)離子在垂直于c軸的平面上發(fā)生位移后，使得兩個(gè)共邊八面體的中心間距縮短、金屬-金屬鍵增強(qiáng)。同時(shí)，電子結(jié)構(gòu)隨配位環(huán)境發(fā)生相應(yīng)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。研究基于上述規(guī)律，通過(guò)摻雜硫原子進(jìn)一步扭曲[CoP6]八面體，使中心陽(yáng)離子發(fā)生偏移，導(dǎo)致dz2軌道下移和dxz/dyz軌道上移，增強(qiáng)與多硫離子的成鍵作用。面向?qū)嵱没母哓?fù)載鋰硫電池，將高效的硫正極催化劑和單質(zhì)硫電紡封裝在多孔碳納米纖維內(nèi)部，形成鏈狀結(jié)構(gòu)的納米反應(yīng)器，限域多硫離子的轉(zhuǎn)化反應(yīng)并進(jìn)行有效催化，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。 

　　研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)大科學(xué)裝置前沿研究專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。 

基于NiAs型和MnP型催化劑的結(jié)構(gòu)調(diào)控示意圖

來(lái)源：過(guò)程工程研究所