過程工程所在鋰硫催化劑結構調控與設計方面獲進展

　　高效的硫正極催化劑可加速多硫離子轉化并抑制穿梭效應，對改善鋰硫電池性能具有重要作用。中國科學院過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隊從理論上總結了六方相砷化鎳（NiAs）型到正交相磷化錳（MnP）型結構轉變所引起的電子結構變化及其對硫正極催化劑活性的影響規律。在此基礎上，通過調整配位結構進一步優化金屬d軌道與多硫離子的成鍵作用，研究實現了對鋰硫催化劑的精確設計。相關研究成果發表在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），被認為是下一代儲能體系的有力競爭者之一。然而，中間產物多硫離子的溶解擴散導致鋰硫電池容量快速衰減，是制約其發展的主要因素，亟需開發有效的催化劑。然而，對催化活性位點以及催化機理認識的不足卻阻礙了硫正極催化劑的設計。 

　　NiAs和MnP均是常用的硫正極催化劑構型。研究發現，相比于NiAs型，MnP型的陽離子在垂直于c軸的平面上發生位移后，使得兩個共邊八面體的中心間距縮短、金屬-金屬鍵增強。同時，電子結構隨配位環境發生相應變化，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。研究基于上述規律，通過摻雜硫原子進一步扭曲[CoP6]八面體，使中心陽離子發生偏移，導致dz2軌道下移和dxz/dyz軌道上移，增強與多硫離子的成鍵作用。面向實用化的高負載鋰硫電池，將高效的硫正極催化劑和單質硫電紡封裝在多孔碳納米纖維內部，形成鏈狀結構的納米反應器，限域多硫離子的轉化反應并進行有效催化，表現出優異的電化學性能。 

　　研究工作得到國家重點研發計劃“大科學裝置前沿研究”專項、國家自然科學基金面上項目和多相復雜系統國家重點實驗室的支持。 

基于NiAs型和MnP型催化劑的結構調控示意圖