高熵單原子催化劑種長(zhǎng)程相互作用示意圖 圖片來(lái)源：中科院

鋰硫電池以硫轉(zhuǎn)換反應(yīng)為核心，具有高能量密度和成本優(yōu)勢(shì)，是下一代儲(chǔ)能技術(shù)頗有潛力的候選者之一。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，硫轉(zhuǎn)換反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)通常較為緩慢，限制了電池的實(shí)際性能。單原子催化劑尤其是新興的高熵單原子催化劑能夠提升硫轉(zhuǎn)換反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，但其背后的化學(xué)機(jī)制尚未明晰，常被簡(jiǎn)單歸結(jié)為協(xié)同或熵增效應(yīng)。這阻礙了單原子催化劑的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化。

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所科研人員在前期研發(fā)高效鋰硫電池催化劑的基礎(chǔ)上，采用第一性原理計(jì)算與實(shí)驗(yàn)方法，揭開(kāi)了這一“黑箱”，在單原子催化劑研究方面取得進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)，中心金屬原子間的長(zhǎng)程相互作用是影響催化性能的關(guān)鍵。基于此，研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)高熵單原子催化劑元素種類和占比的精準(zhǔn)定位，促進(jìn)了硫轉(zhuǎn)換反應(yīng)，提升了鋰硫電池性能。

研究發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了不同中心金屬原子間存在非鍵合作用的長(zhǎng)程相互作用，且作用范圍在亞納米距離內(nèi)。這種長(zhǎng)程相互作用影響中心金屬原子的d電子占據(jù)狀態(tài)，導(dǎo)致非典型價(jià)態(tài)。熵的增加進(jìn)一步促進(jìn)了中心金屬原子中d電子和基底碳原子中π電子的重排。研究在第四周期過(guò)渡金屬中篩選出5個(gè)潛在的高性能中心金屬原子即Mn、Fe、Co、Ni、Cu?；诖嗽O(shè)計(jì)的這一高熵單原子催化劑，可調(diào)節(jié)硫化物的吸附和轉(zhuǎn)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，并提高被吸附硫化鋰的電子導(dǎo)電性。研究組裝的鋰硫電池在10 C的高倍率下具有800 mAh g-1的初始容量，并可穩(wěn)定循環(huán)200圈以上。

這一研究為單原子催化劑的進(jìn)一步發(fā)展提供了理論支撐，并有望推動(dòng)高比能鋰電池技術(shù)的創(chuàng)新研究。

相關(guān)研究成果被遴選為封面文章和編輯推薦文章，發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等的支持。