通訊作者：李川川，中國科學院青島生物能源與過程研究所；趙明文，山東大學；陳剛，山東師范大學

作者：Siyun Qi（齊思云），Chuanchuan Li（李川川），Junru Wang（王君茹），Xiaohan Song（宋曉涵），Mingwen Zhao（趙明文），Gang Chen（陳剛）

自然界中的物質，其電子通常圍繞原子核周圍運動，但有一類特殊的化合物，電子游離于原子核之外，局域在晶格間隙的位置，稱為電子化合物。該化合物中的一部分電子不依托特定的元素，獨立作為陰離子，因此該材料往往具有極低的功函數和優異的給電子能力。近年來，電子化合物在催化、磁性、超導等領域表現出誘人的應用前景。那么當電子化合物遇到鋰硫電池，會碰出怎樣的火花？

圖1. 當電子化合物“邂逅”鋰硫電池。

近日，山東師范大學大學陳剛教授、山東大學趙明文教授和中國科學院青島生物能源與過程研究所李川川助理研究員在?JPC Letters?上發表了表面官能團化調控二維電子化合物陰離子電子應用于鋰硫電池的研究（圖1）。本文創新性地采用M?C (M = Sc, Y)二維電子化合物作為研究對象，該電子化合物化學式為[M?C]2?·2e?，其陰離子電子夾在兩層陽離子之間，形成受限的二維電子氣（圖2）。通過第一性原理計算，系統的研究了電子化合物在硫正極的作用機制，并提出表面官能團化來調控電子化合物的活性，同時揭示了陰離子電子在吸附多硫化鋰和促進硫的催化轉化過程中所起的關鍵性作用。這也是電子化合物在鋰硫電池中的首次報道。

圖2. 電子化合物結構和電子局域函數。

基于第一性原理計算，研究團隊首次報道了電子化合物這類材料在鋰硫電池中的應用。研究表明二維電子化合物M?C (M = Sc或Y)由于高表面活性使得硫分子自發裂解，因此表面官能團化處理是非常必要的。四種可能的表面處理（O, S, Cl和F）中只有氯化和氟化的M?C是穩定結構。而氟化的電子化合物無論是在對多硫化鋰的吸附能力和硫的催化轉化都表現出最為優異的性能。同時研究團隊發現M?C中過渡金屬不同，也能夠影響電子化合物對硫物種的吸附和催化能力。另外，進一步與非電子化合物比較發現電子化合物中的陰離子電子的存在有利于硫還原反應的進行，可能是由于多硫化物通過鋰鍵與陰離子電子發生相互作用。這項工作將推動電子化合物在鋰硫電池中的研究。?

相關論文發表在?JPC Letters?上，山東師范大學齊思云博士為文章的第一作者，山東師范大學大學陳剛教授、山東大學趙明文教授和中國科學院青島生物能源與過程研究所李川川助理研究員為共同通訊作者。

陳剛

山東師范大學物理與電子科學學院教授、博導、泰山學者海外特聘專家，兼任山東物理學會常務理事、山東物理學會計算物理專業委員會負責人、中國材料研究會計算材料分會全國委員、亞洲計算材料學會會員。2002年于中國科學院獲得理學博士學位，先后在中國科學院固體物理研究所、中國科學院理論物理研究所、香港中文大學、香港科技大學、日本東北大學金屬材料研究所、美國弗吉尼亞聯邦大學從事過科學研究工作。?

趙明文?

山東大學物理學院教授，副院長。長期從事凝聚態理論和材料計算研究，在低維材料的電子結構和缺陷效應等方面取得了多項研究突破，解決了低維材料器件應用中的一些基礎問題，提出的理論模型被國內外多個實驗課題組驗證，并成功地實現了器件應用，先后承擔完成了國家973、國家自然科學基金重大研究計劃、重點項目和面上項目等課題，形成了且具有一定特色和影響力研究方向。累計在Physical Review Letters, Advanced Materials 和Nano Letters 等著名學術期刊上發表SCI 論文 360余篇，被SCI引用10000余次 （h-index=54）, 2014-2021年連續8年入選“中國高被引學者（物理天文類）”。入選國務院政府特殊津貼專家、教育部新世紀優秀人才支持計劃, 山東省“泰山學者”特聘教授、山東省有突出貢獻中青年專家、山東大學特聘教授，2003年獲教育部自然科學一等獎（第三完成人），2010年獲教育部高等學校優秀科研成果自然科學二等獎（第一完成人），2017年獲山東省自然科學一等獎（第一完成人），2018年獲得“寶鋼”的優秀教師獎。?

李川川?

中國科學院青島生物能源與過程研究所助理研究員，于2014年和2019年在山東大學化學與化工學院分別獲得學士和博士學位，師從徐立強教授。2019年加入中國科學院青島生物能源與過程研究所崔光磊研究員課題組，從事博士后研究。主要從事高比能鋰硫電池和低成本鈉鉀電池的研究，包括電極材料和電解液及其界面等。在能源、材料和化學等方面的國際權威雜志如Adv. Energy Mater.、Nano Today、Energy Storage Mater.、Chem. Mater.和J. Phys. Chem. Lett.等發表文章20余篇，作為負責人主持國家自然科學基金青年項目等。