近日，7003白菜网功能炭材料团队在锂硫电池原子级电催化剂的设计和调控研究方面取得新进展，相关成果以“Vanadium as auxiliary for Fe-V dual-atom electrocatalyst in lithium-sulfur batteries: ‘3D in 2D’ morphology inducer and coordination structure regulator”为题发表在ACS Nano上。
在锂硫电池中，多硫化物的穿梭行为、液-固转化动力学缓慢和硫化锂分解能量势垒大已成为阻碍其实际应用的公认问题。为了解决这些问题，铁单原子电催化剂越来越多受到科研人员的关注。其具备高活性的价电子、量子约束的d轨道电子和量子化的能级，对硫的多步多相转化表现出优异的催化作用。然而，单原子催化剂在锂硫电池中仍然存在一些问题，如通常平面对称的Fe-N4中心极性相对较弱，不利于锚定多硫化物；Fe-N4中心的催化效果可能受到其配位结构的限制；单原子的碳基底多呈现单维形态(3D/2D)，无法结合不同结构对于电荷转移和受限硫反应的优势；大多数在碳基体上合成铁单原子的方法都需要高温碳化，在热解过程中，前驱体中多余的Fe原子容易聚集，通过催化石墨化形成不可控的石墨包裹的Fe3C颗粒，导致金属团聚和结构紊乱。
对此，受生物体高活性固硫/固氮酶的启发，研究团队采用V作为多功能助剂，其在合成过程中起到结构诱导和配位调节的作用，成功合成了镶嵌在“3D in 2D”碳纳米片上的N桥连接的Fe-V双原子电催化剂。
团队通过同步辐射，球差电镜等表征手段确认了Fe-V双原子的存在，结合理论计算/实验证明了双原子位点对多硫化物的高亲和性以及对硫化锂双向氧化还原的催化效应，并采用原位XRD/Raman技术，直接证实了运行锂硫电池中被抑制的穿梭效应和良好的硫转化反应。当该材料用于聚丙烯隔膜涂层时，锂硫电池表现出高循环稳定性(1C，1000次循环，容量衰减率为0.033%)和优异的倍率性能(4C，711 mAh g-1)。此外，在6.5mg cm-2的高硫负载下，锂硫电池在100次循环后仍保持5.10mAh cm-2的高面积容量。本研究为合成具有精细微结构的高活性双原子金属电催化剂提供了一定的指导，对高性能锂硫电池的商业化具有重要意义。
7003白菜网为该论文的唯一通讯单位，博士研究生杨璐彬为论文第一作者，凌立成教授、王际童教授和张亚运副教授为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金等经费支持。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c05483