杨植&杨硕&蔡冬InfoMat：分步催化加速动力学，实现高性能锂硫电池！

多步硫氧化还原反应（SRR）的动力学迟缓，每一步都有不同的能量需求，这被认为是锂硫电池的关键障碍。设计一个电子储存器，在充放电过程中能动态地向硫物种释放/接受电子，是实现分步和双向多硫化物电催化的理想策略。

温州大学杨植、杨硕、蔡冬等合成了一个具有适度未填充f轨道的单一Tb^3+/4+氧化物作为电子库，以通过Tb-S和N–Li键优化多硫化物的吸附，降低活化能垒，加快电子/Li⁺的传输，并在充电和放电过程中选择性地催化长链和短链多硫化物的转化。

图1. 催化剂的设计、理论模拟和表征以及它们与LiPS的相互作用

具体而言，作者制备了一个支撑在N掺杂的石墨烯（Gh）导电基底上的Tb^3+/4+电子库（记为Gh-Tb^3+/4+）作为正极夹层，以激活Li-S化学中的连续SRR。通过理论计算、原位光谱和电化学技术对SRR动力学、活化能和反应机理的系统研究，发现Tb³⁺对长链LiPS转化反应（LCR，步骤I和步骤IV）具有良好的催化作用；而Tb⁴⁺更倾向于加速短链LiPS转化反应（SCR，步骤II和步骤III）。

Tb^3+/4+具有适当的未填充f轨道电子构型和Tb³⁺和Tb⁴⁺的优点，不仅可以通过键合效应缓和与LiPS的化学亲和力，提供快速的电子/离子传输，而且可以在充放电过程中同时催化LCR和SCR。

图2. 多相SRR的吸附和动力学评估

因此，Gh-Tb^3+/4+修饰的硫正极表现出良好的电池性能，CNTs-S/Gh-Tb^3+/4+电池在0.2C时可提供1522 mAh g^-1的高放电容量，并显示出令人印象深刻的循环寿命，在低硫负载和1C下的500次循环中容量衰减率为每循环0.087%。

此外，5.2mg cm^-2的高硫负载和7.5μL mg^-1的低E/S比也同时可以实现，这表明了f轨道工程在发展高能电池系统方面的潜力。

图3. Li-S电池性能

Regulating f orbital of Tb electronic reservoir to activate stepwise and dual-directional sulfur conversion reaction. InfoMat 2022. DOI: 10.1002/inf2.12381

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