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單原子催化劑（SAC）由于其在原子級反應機制和結構-活性關系中的出色適用性，為提高鋰硫（Li-S）電池硫電極的利用效率開辟了新的可能性。

在此，加拿大滑鐵盧大學陳忠偉院士、華南師范大學王新研究員及河北工業(yè)大學張永光教授等人報道了將均勻分散在有序N摻雜碳納米管陣列（ZnN₄-NC）上的具有短原子間距（< 1nm）的高負載Zn SAs作為硫主體，通過協(xié)同增強效應加速整個多硫化鋰（LiPSs）轉化過程的氧化還原動力學。

研究表明，由碳納米管陣列組成的立方體不僅可有效承載硫并緩解循環(huán)過程中硫的體積膨脹，還可為Li-S電池在高硫負載條件下的快速傳質提供豐富的通道。此外，大量Zn SAs均勻分散在碳納米管基底中，相鄰單個原子之間的距離為0.4~0.8 nm。高負載Zn SAs提供了足夠的活性位點（金屬負載≈8.3 wt%），可促進多硫化物在高硫負載下的轉化。

圖1. S@ZnN₄-NC的合成過程及表征

因此，S@ZnN₄-NC正極在0.2 C時具有1225.3 mAh g^-1的高初始容量和99% 的高硫利用率，明顯優(yōu)于S@NC和S@ZIF-7正極（初始容量分別僅為1051.2和964.1 mAh g^-1）。同時，S@ZnN4-NC正極在1 C下循環(huán)500次后仍保持778.4 mAh g^-1的高比容量，具有最佳的循環(huán)穩(wěn)定性。即使在7.2 mg cm^-2的高硫負載（E/S = 3.7 mL g^-1）下，該硫電極在100次循環(huán)后仍可提供5.6 mAh cm^-2的高面積容量。

此外，作者還組裝了硫負載量為2.3 mg cm^-2的Li-S軟包電池，該電池在0.1 C下循環(huán)100次后表現(xiàn)出953.4 mAh g^-1的高比容量。經計算，該電池循環(huán)100次后對應的體積容量為92 Wh L^-1，能量密度為31 Wh kg^-1，具有良好的應用前景。總之，這項研究首次將高負載SAC中的位點間距效應應用于Li-S電池，為Li-S電池催化劑的設計提供了新的方向。

圖2. S@ZnN₄-NC的電化學性能

Single Zinc Atom Aggregates: Synergetic Interaction to Boost Fast Polysulfide Conversion in Lithium-sulfur Batteries, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202208470

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