​北化工刘文AM：双壳纳米笼内的串联催化实现高性能锂硫电池

单原子催化剂（SAC）可有效缓解锂硫（Li-S）电池中多硫化锂（LiPS）的穿梭效应和缓慢的氧化还原动力学，但由于多硫化锂的多步转化需要多功能活性位点进行串联催化，因此其理想性能尚未实现。

在此，北京化工大学刘文团队开发了双壳纳米笼（DSNCs），将分离的、可调的单原子位点作为纳米反应器，触发串联催化，促进锂离子电池的高效电化学转换进而实现高容量和耐用的锂离子电池。内含 Co-N₄ 位点和外含 Zn-N₄ 位点的 DSNC（S/CoNC@ZnNC DSNC）在 1 C 条件下表现出 1186 mAh g^-1 的高比容量，并且在 500 次循环过程中，每次循环的容量衰减率仅为 0.063%。

即使在高硫负载（4.2 mg cm^-2）和低 E/S 比（6 μL mg^-1）的情况下，电池也能显示出卓越的循环稳定性。此外，Li-S 软包电池还能稳定循环超过 160次。

图1. 电池性能

总之，该工作将分离的、可调的单原子位点作为作为纳米反应器促进锂离子电池的串联反应，从而产生了高比容量（1 C 时为 1186 mAh g^-1）、优异的倍率性能（4 C 时为 766 mAh g^-1），以及 1000 次循环后 73% 的容量保持率（每次循环的容量衰减率为 0.025%）。

实验和 DFT 模拟证明，Co-N₄ 和 Zn-N₄ 位点可分别选择性地催化长链 LiPSs和短链 LiPSs的转化，使转化过程中的两个连续反应主要在空间催化性能更好的位点上进行，从而实现了高效的串联催化。因此，该项工作推进了复杂形态单原子催化剂的可控合成，为未来设计多步催化体系提供新的见解和启发。

图2. 机理探究

Tandem Catalysis Inside Double–shelled Nanocages with Separated and Tunable Atomic Catalyst Sites for High Performance Lithium–sulfur Batteries, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202310547