近日，我校物理与电子学院化五星博士和上海师范大学万颖教授团队、清华大学深圳研究生院吕伟副教授团队等合作，在Nature Catalysis上以Article形式发表了题为Optimizing thepcharge of S inp-block metal sulfides for sulfur reduction electrocatalysis的研究成果，将实验可测量的p电荷密度作为描述符用于筛选高活性锂硫电池催化剂（图1）。
图1
构建高效的硫还原反应（SRR）电催化剂，提高多硫化物反应速率，可有效提高硫活性物质利用率，抑制锂硫电池的穿梭效应。因此，SRR的催化反应动力学研究是发展硫基高比能电池的关键。然而，基于催化剂电子结构和SRR活性之间的关联，逆向按需设计SRR电催化材料的理论和方法鲜有报道。因此，提出一种实验可测量的电子结构参数作为描述因子，定量描述其与催化活性以及电池性能之间的关系，对发展高效催化剂和高比能锂硫电池具有重要意义。
针对上述问题，化五星博士及其合作者提出并通过实验证实p区金属硫化物（p-MS）中硫的p电荷密度可用于描述SRR催化剂的活性。实验结果表明，锂硫电池中加入p区金属硫化物催化剂（p区金属指d轨道电子处于填充态的金属）后，显著降低了决速步（Li2Sn→ Li2S/Li2S2）的表观活化能，使决速步的反应速率得到了极大的提高（图2a）。综合XPS、XAS及变温CV计算的表观活化能发现，p区金属硫化物中S元素的p电荷密度与硫还原反应速控步的吸附活化熵(ΔS0*)和活化能(Ea)呈线性相关（图2b）。硫化铋(Bi2S3)中S元素的p电荷密度增加最大，在硫还原反应的速控步中表现出最大的ΔS0*和最小的Ea，这使基于Bi2S3催化剂的电池表现出最优的电化学性能，在5 C的倍率下循环500圈后，容量保持率达到85 %以上（图2c）。
图2
在本项突破性研究工作中，研究团队提出并通过实验证实p区金属硫化物中硫的p电荷密度可用于描述SRR反应催化剂的活性，建立了硫的p电荷密度与SRR反应决速步(Li2Sn→ Li2S/Li2S2)的表观活化能和吸附活化熵之间的关联，揭示了p区金属硫化物中硫的p电荷密度对硫还原反应活性的影响规律。该工作为锂硫电池催化材料的理性设计和高比能锂硫电池实用化技术开发提供了新思路。
化五星、尚童鑫、李欢、孙雅飞为本文共同第一作者，上海师范大学万颖教授、清华大学深圳研究生院吕伟副教授为通讯作者。该研究得到国家科技部、国家自然科学基金委、上海市教委的大力支持。
化五星，工学博士，2021年毕业于天津大学，同年入职河南大学。主要从事低维材料与储能器件的研究，以第一/共一作者发表锂硫催化相关文章6篇，包括Nature Catalysis、Advanced Materials（2）、Advanced Functional Materials、ACS Nano和Journal of Electrochemistry（邀稿，锂硫电池专辑），其中4篇曾入选ESI高被引论文。获“天津大学优秀博士学位论文”、河南省“中原英才计划”青年拔尖人才（中原博新计划）；主持中国博士后面上资助一等，河南省青年基金项目。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41929-023-00912-9
