杨植/蔡冬ACS Nano: “周期扩充催化”概念启发的锂硫电池催化剂设计

锂硫（Li-S）电池因具有2600 Wh kg^-1的高理论能量密度和长寿命而备受关注，然而其商业化面临的关键挑战是缩短多硫化锂（LiPS）中间体的存在时间，同时加速固相转化反应。

在此，温州大学杨植教授、蔡冬等人受燃料电池催化剂设计（Fe/N→ORR）的启发，报道了一种“周期扩充催化（PEC）”概念，即使用位于Fe和N下一周期的Ru和P元素（Ru/P→SRR）开发高效硫还原反应（SRR）催化剂。

具体而言，作者基于氯（环戊二烯基）双（三苯基膦）钌（II）（CTRu）和石墨烯（G）为基底，合理地设计和开发了Li-S电池中的高效催化中间插层，表示为G/CTRu。原位/非原位光谱分析和DFT模拟表明，G/CTRu可以优化Li ⁺的迁移路径并降低其传输能垒，从而加速硫中间体的转化。

此外，作者构建了各种原子取代模型以阐明Ru和P原子在SRR协同效应中的作用，还系统地研究了所有中间态。因此，分子结构中的空间位阻和强电子轨道耦合在PEC中起关键作用，突出了非金属p带对金属d带中心电子结构的调节。

图1. 用于先进Li-S电池的G/CTRu中间层的灵感和配置

作为概念验证，作者基于G/CTRu中间层和硫渗透的碳纳米管正极（CNTs-S）组装了具有中间层结构的纽扣Li-S电池。电化学测试表明，该电池在0.2 C（1 C = 1675 mA g^-1）下提供了1460 mAh g^-1的高初始放电容量，并在1 C下500次循环后容量仍保留为~588 mAh g^-1。

即使在硫面积负载为6.5 mg cm^-2和电解液/硫（E/S）比为 9 μL mg^-1的恶劣条件下，具有~0.5 wt % 催化剂添加剂的Li-S电池在0.1C下循环120次后仍显示出698 mAh g^-1的比容量，衰减率仅为0.13%。此外，该概念在特定的ORR和SRR中得到进一步测试验证。总之，该研究为设计 SRR分子催化剂和调整其催化活性以改善Li-S电池固有的迟缓动力学提供了一种通用策略。

图2. 基于G/CTRu中间层的Li-S电池性能

Sulfur Reduction Catalyst Design Inspired by Elemental Periodic Expansion Concept for Lithium–Sulfur Batteries, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c00515

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