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第一作者：周婷

通訊作者：梁健能，葉盛華，張黔玲，劉劍洪

通訊單位：深圳大學

引言

鋰硫電池因具有高理論容量和低成本而被認為是未來最具潛力的儲能體系，但其緩慢的動力學轉化和嚴重的多硫化鋰（LiPSs）穿梭效應嚴重地阻礙著它的商業化應用。探索高效的催化劑可有效促進多硫化鋰中間產物的轉化反應，從而抑制穿梭效應。

近日，深圳大學劉劍洪與張黔玲團隊在Energy Storage Materials期刊上發表綜述型論文，全面介紹和深入了解鋰硫電池中單原子催化劑（SACs）的催化機理、結構和催化性能，并對SACs在鋰硫電池不同組分中的實際與潛在應用進行總結，以期為設計具有高電催化性能的SACs和多原子催化劑提供新思路。

圖1. 綜述摘要圖示

背景介紹

目前，傳統鋰離子電池已不能滿足商業化電動汽車對高能量密度的需求，而鋰硫電池因具有高理論容量和低成本等優點而被認為是下一代極具競爭力的高能二次電池。然而，在鋰硫電池的放電過程中，活性物質硫由固態硫轉化為液態的多硫化鋰中間產物，到最后生成不溶性的Li₂S₂和Li₂S，充電過程則相反。

這種多相反應不僅導致了緩慢的電化學反應和較大的體積膨脹，還給鋰硫電池帶來嚴重的穿梭效應和鋰腐蝕等一系列問題，極大地限制鋰硫電池的容量和循環穩定性，成為實現鋰硫電池商業化應用的一個巨大挑戰。

大量研究通過各種手段來解決這些問題，其中催化劑能夠有效吸附多硫化鋰并降低其轉化反應能壘，從而抑制穿梭效應。相比于其他催化劑，單原子催化劑具有超高的原子利用率以及極其突出的催化活性和選擇性。然而，目前缺少關于SACs在催化LiPS轉化反應中的全面總結，SACs結構與催化LiPSs轉化反應性能之間關系的深入討論尚未報道。

圖文介紹

1. 催化劑的催化原理

在充電過程中，SACs活性位點首先吸附Li₂S產物并形成強金屬-硫（M-S）鍵，延長并削弱Li-S鍵，誘導Li⁺從Li₂S中分離，同時新的Li₂S分子結合到中間產物鏈中，不斷重復以上脫鋰和結合新Li₂S的步驟以延長S鏈，從而完成Li₂S的氧化反應。

而在放電過程中，SACs中的金屬活性位點可有效吸附LiPSs，并通過路易斯酸堿作用形成金屬-硫（M-S）鍵和N-Li鍵，M-S鍵和N-Li鍵協同固定LiPSs，削弱Li-S鍵，從而降低LiPSs的分解能壘并加速其轉化反應。其次，由電子軌道理論，當活性位點吸附LiPSs時，金屬原子的4d軌道與S原子的p軌道發生d-p軌道雜化，隨著原子序數的減小，填充反鍵軌道的電子減少而M-S鍵增強，表現出更好的催化性能。

圖2. (a) SAFe催化Li₂S脫鋰反應的機理。(b) 過渡金屬與S之間的d-p軌道雜化理論，單原子Ti和Li₂S之間典型的d軌道和p軌道分布模式以及空間電荷密度。

2. SACs的結構和催化性能

2.1 尺寸對催化性能的影響

減小催化劑的粒徑可以大大增加暴露原子的數量，有利于催化活性的提高，當它是單個原子時其催化性能將達到最高值。此外，當催化劑的粒徑大小逐漸減小到量子點(幾納米)和單個原子時，其電子結構將發生較大變化。這種獨特的結構使得SACs具有最大的原子利用率、更高的催化活性和選擇性，以及易于調控的催化性能。然而，降低尺寸帶來的高表面自由能卻犧牲了催化劑的穩定性，其中團簇和單個原子通常需要錨定在支撐材料上才能穩定存在，。再者，考慮到前驅體、能量和設備等因素，與團簇和納米催化劑相比，制備SACs的成本將相當或略高。

圖3. (a) 不同尺寸金屬顆粒的表面自由能和每個原子的比活度示意圖，以及由襯底支撐的單個原子的示意圖。(b) 催化劑的比活性隨負載量/尺寸的變化。(c) 納米粒子、團簇和單原子的幾何和電子結構。(d) LiPSs分別在Co-NPs、Co-ACs和Co-SAs表面上發生還原反應時的能量分布，以及催化劑與S組分弛緩后的平均鍵長示意圖。

2.2 SACs結構對催化性能的影響

SACs的催化性能可以通過調整電子結構或配位環境來改變。本章根據實驗和理論計算結果，分別介紹和討論SAC中影響SACs電子結構、中心金屬原子軌道態以及催化性能的各個成分，以期為SACs的設計提供合理的指導。

圖4. 中心圖像為SAC的詳細結構，其中典型的SAC由支撐材料、中心金屬原子、配位原子、環境原子和客體基團組成。周圍配圖為不同類型SACs的具體結構特征。

對于典型的SAC結構，襯底或支撐材料是SACs極其重要的部分，它可以通過提供錨定位點來降低孤立原子的表面自由能，通常是碳材料或其他高電子導、高比表面積材料。

中心金屬原子可以直接有效地調節SACs的催化性能。其不飽和配位可與襯底材料上的多個相鄰配位原子(通常是N、O、S原子)成鍵，中心金屬原子的電子結構、軌道結構、原子直徑甚至負載都會極大地影響SACs的催化性能。

同時，配位原子與中心金屬原子直接相互作用，為襯底提供更多的缺陷，從而促進中心金屬原子的錨定能力，調控其原子類型和數量不僅可以調節襯底材料的晶格結構和局部電子分布，還可以影響中心金屬原子的電子結構和幾何構型，從而調節催化劑的性能。

由于中心金屬原子垂直于支撐材料平面的d軌道未被完全占據，使得客體基團可以通過配位鍵或分子間相互作用引入SAC中。其雖然不是SAC必要的組成部分，但它可以調節活性中心原子的電子和自旋狀態來顯著調節其催化性能。

環境原子通常是摻雜在支撐材料上的極化原子（如S、O和P）。雖然不直接與中心金屬原子和配位原子成鍵，但仍可通過長程離域作用調節活性位點的電子結構，從而影響SAC的催化性能。然而，關于環境原子效應的實驗研究仍然很少。

3. SACs在鋰硫電池中的應用

3.1 硫復合正極

合適的硫復合電極是鋰硫電池實現高能量密度和長期循環性能的關鍵。原子暴露利用率100%、質量比小的SACs被認為是最具潛力的硫復合陰極催化劑。它既可以單獨使用發揮催化效果，還能與多孔材料、其他類型催化劑相結合，顯著降低硫化物的解離能壘，促進鋰硫電池反應動力學。

圖5. (a)具有雙層催化劑硫復合陰極的鋰硫電池示意圖。(b)長鏈LiPSs在Fe-N@C(上)和Co-N@C (下)襯底上的穩定幾何構型。(c) Li₂S₄、Li₂S₆和Li₂S₈在Fe-N@C、Co-N@C和NC上的結合能。(d) Li₂S在Fe-N@C、Co-N@C和NC上的分解能壘。(e)不同層狀硫復合陰極鋰硫電池的循環性能比較。(f) Co/SA-Zn@N-C/CNTs復合材料的合成過程示意圖。(g) LiPSs在Co/SA-Zn@N-C/CNTs、Co@N-C/CNTs、SA-Zn@N-C和N-C上氧化還原反應的能量分布，以及(h)它們在0.2 C時的循環性能。

3.2 隔膜/中間層

鋰硫電池中的隔膜不僅可以作為絕緣層避免電池短路，抑制鋰離子的遷移，還有望促進陰極側的LiPSs轉化反應以及抑制陽極側的鋰枝晶生長。SACs改性隔膜/中間層因其高導電性、強的LiPSs吸附性能和催化能力，不僅可以解決鋰硫電池中的穿梭問題，還可以誘導鋰離子均勻沉積以解決鋰枝晶問題。

圖6. (a) 雙面隔膜結構示意圖（負極涂覆Bio-MOF-100材料，正極涂覆ZnENC材料）。(b) 采用Celgard隔膜、ZIF-8/Celgard隔膜和Bio-MOF-100/Celgard隔膜的Li/Li電池在面積容量為2 mA h cm^-2和電流密度為1 mA cm^-2條件下的循環性能。插圖為各電池循環后鋰表面的SEM圖像。(c) SP和ZnENC電極在Li₂S₈/四酸酯溶液中2.05 V時的恒電位放電曲線。(d) 在2 C電流密度下，不同隔膜鋰硫電池的循環性能。(e) 多功能雙面隔膜的制備原理圖。(f) 不同隔膜鋰硫電池的倍率性能和(g) 長循環性能。

3.3 電解液添加劑

電解質成分可參與形成SEI膜和CEI膜，對鋰硫電池的性能至關重要。因此，許多研究通過優化電解質的成分，來調節SEI膜和CEI膜的物化性質，以提高鋰硫電池的性能。含有1,3-二氧烷(DOL)、二甲氧基乙烷(DME)和LiTFSI鹽的醚基液態有機電解質是鋰硫電池最常用的電解質配方。而SACs因能夠調節LiPSs的溶解度、促進液固轉化反應、緩解穿梭效應而成為極具潛力的多功能電解質添加劑。

圖7. (a) CoPcCl結構及其與Li₂S相互作用的DFT模擬。金屬鋰浸泡在含(b) CoPcCl及(c) CoPc電解液中的圖片。(d) 使用標準DOL-DME電解質(STD)、STD- CoPc和STD- CoPcCl電解質的鋰硫電池的循環性能和(e) 倍率性能。(f) S₈和LiPSs吸附在TiPc和NiPc上的電荷密度差異。(g) S₈/LiPSs在TiPc和H₂Pc上轉換反應的自由能譜圖。插圖為LiPSs分別與TiPc 和H₂Pc襯底的優化吸附構型。

3.4 鋰負極

金屬鋰的高化學反應性使其容易與電解質發生反應，產生不穩定的SEI層和不可控的鋰枝晶問題。在鋰硫電池中，穿梭的LiPSs會與鋰金屬發生反應，形成硫化物并覆蓋在鋰陽極表面，增加陽極/電解質界面阻抗。當副反應產生氣體時，電池內部壓力增大。而SACs由于其特殊的電子結構，表現出良好的局部電子密度調節能力，可作為鋰沉積基底，并提供大量的成核位點，有效優化成核條件，實現鋰離子的均勻沉積，緩解鋰枝晶的生長，從而顯著提高鋰金屬的穩定性和電池的循環壽命。

圖8. (a) 裸鋰表面和鋅原子負載石墨烯表面的鋰沉積過程示意圖。(b) graphene、ZnSAs和N-graphene的電子密度差和表面結合能。(c) ZnSAs上的Li遷移路徑和能壘。(d) 電流密度為0.5?mA?cm^?2時ZnSAs和KB電極上鍍/脫鋰的電壓分布。(e) 電流密度為1?mA?cm^-2時Li/ZnSAs和Li/KB電池的循環穩定性和庫侖效率。(f) 鋰對稱電池和Li@ZnSAs對稱電池的電壓曲線。(g) 雙功能Zn₁-HNC納米反應器的合成工藝示意圖。(h) Zn₁-HNC和SP襯底上Li原子結合能的比較。(i) Li原子吸附在Zn₁-HNC上的電荷密度差異。(j) Zn₁-HNC-Li、HCN-Li、SP-Li和Cu-Li電極對稱電池在電流密度為3 mA cm^-2、容量為3 mAh cm^-2時的長循環性能。

4. 總結與展望

SACs是極具潛力的鋰硫電池適用型催化材料。其各個組成部分都對SACs整體電子結構、軌道雜化和幾何構型產生很大的影響。由于其形式多樣，可以很好的應用于鋰硫電池的各種組件中。

圖9. 鋰硫電池適用型SACs的展望

為了促進鋰硫電池中SACs的進一步發展，需要從以下幾個方面對SACs進行改進:

(1) 結合理論計算設計具有高催化性能的SACs結構。

(2) 開發簡單通用的合成策略，以獲得穩定性好、原子負載高的SACs結構。

(3) 研究雙原子催化劑或多原子催化劑，實現更高的金屬原子負載和更靈活的活性位點。

(4) 探索SACs在鋰硫電池中的催化機理，結合先進的表征技術來揭示更深層的作用機理。

(5) 拓寬SACs的應用領域，降低成本，促進其商業化應用。

文章信息

Fundamental, Application and Opportunities of Single Atom Catalysts for Li-S Batteries

Ting Zhou, Jianneng Liang*, Shenghua Ye*, Qianling Zhang*, Jianhong Liu*

Energy Storage Materials, 2022, in press

DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.12.002

作者簡介

梁健能，2015年本科畢業于中南大學，2020年畢業于加拿大西安大略大學，師從孫學良院士。深圳市海外高層次人才獲得者。擔任國際學術期刊Chemical Engineering Journal，Frontiers in Chemistry等期刊審稿人。主要從事的研究工作集中在固態電解質的合成、固態鋰離子電池、固態鋰硫電池、界面工程、以及使用原位表征技術對電池的界面物理、化學性質等方面的研究，并取得了多項原創性成果。已發表超過50余篇SCI論文，他引次數>2800次，H因子30.其中以第一作者/共同第一作者，或通訊作者/共同通訊作者在Adv. Energy Mater., Nano Energy, Energy Storage Mater., J. Mater. Chem. A等國際著名期刊上共計發表10篇論文，申請中國專利4項。

葉盛華，2018年10月至2020年9月在深圳大學從事博士后研究。2018年至今在深圳大學石墨烯及其復合材料研究中心和深圳市本征方程石墨烯技術股份有限公司從事石墨烯基復合材料以及新型納米材料的制備及應用研究，主要包括電化學析氫反應、析氧反應、氧還原反應、氮還原反應等催化劑的開發及催化機理研究，以第一作者（含共同第一作者）和通訊作者在Angewandte Chemie International Edition, Energy&Environmental Science, Applied Catalysis B: Environmental，ACS Catalysis，Science China Chemistry，Nano Energy, Journal of Material Chemistry A等國內外學術期刊上發表學術論文17篇。目前共發表學術論文30余篇，合計產生SCI引用3000余次，H因子22。主持科研項目2項，申請或授權發明專利6項。

張黔玲，深圳大學化學與環境工程學院教授，博士生導師。2001年畢業于中山大學化學專業，獲博士學位。2001年7月起在深圳大學工作。擔任國家自然科學基金通訊評議專家、廣東省自然科學基金通訊評審專家、國際學術期刊Energy & Environmental Science、Applied Catalysis B: Environmental等特約審稿人。近年來一直從事石墨烯及其復合材料的設計合成及其在能源存儲與轉化等方面的應用研究，取得很多創新性成果。近年來主持完成10多項國家自然科學基金、國防973項目子課題、廣東省自然科學基金項目、深圳市重大產業技術攻關項目和深圳市基礎研究重點項目等；在Energy & Environmental Science、Science China Chemistry、Applied Catalysis B: Environmental等期刊上發表SCI收錄論文200多篇，論文被他引4000多次；獲廣東省科技進步二等獎1次、廣東省科技進步三等獎1項、深圳市科技進步一等獎1項、二等獎1項；申請獲得國際、國內發明專利40多項；2006年被評為廣東省高等學校“千百十工程”校級培養對象， 2009年被認定為深圳市高層次人才地方級領軍人才，2021年被評為深圳大學優秀學者。

劉劍洪，深圳大學化學與環境工程學院教授，博士生導師，深圳市高層次人才，深圳應用技術大學兼職教授，曾經擔任深圳大學科技處處長、深圳大學化學與環境工程學院院長等職務。現任深圳市功能高分子重點實驗室主任、深圳市類石墨烯復合鋰離子動力電池工程實驗室主任，兼任深圳市化學化工學會理事長、廣東省化學會副理事長、深圳市石墨烯協會副會長、深圳市電池協會副會長、中國材料研究學會高分子材料與工程分會常務理事、中關村石墨烯產業聯盟執行副理事長。主要研究領域為功能高分子材料、石墨烯的制備與應用、鋰離子電池及關鍵材料等。先后承擔了國家863計劃、973項目、國防973項目、國家自然科學基金重點和面上項目、廣東省自然科學基金重點項目、深圳市科技計劃項目等30多項；多次榮獲教育部、廣東省和深圳市科技進步獎項；在國際知名期刊Energy&Environmental Science、Advanced Materials、Appiled Catalysis B: Environmental、Nano Energy等期刊發表論文200多篇。申請獲得了中國、美國、歐洲、日本等發明專利70多項；多項科研成果已成功實現產業化；創辦了深圳市本征方程石墨烯技術股份有限公司，致力于石墨烯及其復合材料的制備及產業化應用。

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深大EnSM綜述：單原子催化劑在鋰硫電池中的基礎研究、應用及發展前景

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