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西安理工大学李喜飞Carbon Energy：调控镍单原子自旋态提高锂硫电池硫转化活性

已有 639 次阅读 2026-9-18 14:04 |系统分类:论文交流

研究背景

锂硫电池（LSBs）因其高理论能量密度（2600 Wh·kg^-1）和比容量（1672 mAh g^-1）而被认为是非常有前途的下一代储能和转换系统。然而，LSBs的充电/放电过程伴随着复杂的氧化还原反应，包括多电子转移和多硫化物转化。缓慢的固-固/固-液界面反应和严重的多硫化锂（LPSs）穿梭效应共同对LSBs的发展施加了关键障碍。为了解决这些关键挑战，单原子催化剂（SACs）为有效的策略之一。

成果介绍

西安理工大学李喜飞团队通过优化吡啶N和吡咯N的共配位构型，合成了N，S掺杂碳负载Ni单原子催化剂（Ni-N_pd-pr-SC），并通过调节配位吡啶N和吡咯N配体的比例进一步研究了中心Ni自旋态对催化活性的影响。研究表明，控制热解温度的不同从而改变吡啶吡咯N的含量进而调节NiSACs的自旋态。具有中自旋态的Ni-N_pd-pr-SC优化了固液相变动力学，实现了LPSs吸附容量和催化活性的双重增强，从而提高了速率性能和循环稳定性。该成果以“Engineering Spin State of Ni Single-Atoms to Enhance Electrocatalytic Activity of Sulfur Conversion in Lithium–Sulfur Batteries”为题发表在Carbon Energy 上。

图文解析

图1：通过球差测试发现Ni SAC的成功制备以及具有良好的分散性，通过Mapping表明Ni、C、S、N被均匀分散在样品中。

图2：通过同步辐射X射线吸收谱（XANES，FT-EXAFS），精确阐明Ni-N_pd_-_pr-SC的配位环境和局部结构。后采用X射线光电子能谱（XPS）进一步揭示了Ni-N_pd-SC、Ni-N_pd_-_pr-SC和Ni-N_pr-SC中吡啶氮和吡咯氮的比例。通过电子顺磁共振（EPR）以及磁化-温度（M-T）测试来判断Ni SACs的自旋态。

图3：通过电化学测试发现在4.0 C的高电流密度下，S@Ni-N_pd_-_pr-SC有着606 mAh/g的高初始容量和300次循环内每循环0.062 %的低循环衰减率。即使具有6.65 µL mg^-1的高E/S值和4 mg cm^-2的硫负载，S@Ni-N_pd_-_pr-SC在0.2 C下仍能提供867 mAh g^-1初始容量。

图4：密度泛函理论计算表明，Ni-N_pd_-_pr-SC能够有效降低LPSs液-固-固转化过程的能垒，显著加速硫物种缓慢的氧化还原动力学，促进长链多硫化锂完全还原为固态Li₂S。这种有利的热力学特征对于抑制穿梭效应、提高活性硫的利用率至关重要，也与该催化剂在LSB中表现出的优异电化学性能相一致。

图5：通过原为拉曼揭示了在充放电过程中Ni-N_pd_-_pr-SC对LPSs有着较强的锚定作用，这大大提高了硫种的利用率。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Engineering Spin State of Ni Single-Atoms to Enhance Electrocatalytic Activity of Sulfur Conversion in Lithium–Sulfur Batteries

文章研究方向：

锂硫电池— —单原子催化剂

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70201

DOI: 10.1002/cey2.70201

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为温州大学副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续四年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告、“中国最具国际影响力学术期刊”、中国科学院材料科学1区Top期刊，连续两年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2024年影响因子为24.2，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前八，材料科学（多学科）领域460本期刊中，位列14。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。