【原】尹鸽平&娄帅锋JACS：d‑p杂化诱导实现高效Nb单原子催化！

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研究内容

单原子催化剂在改善锂-硫（Li-S）电池的缓慢反应动力学和锚定多硫化物方面得到了更多的关注。第四周期的d嵌段单原子元素可以与局部环境发生化学反应，从而对多硫化物锂产生有效的吸附和催化活性已经被证实。

在理论筛选的启发下，哈尔滨工业大学尹鸽平教授和娄帅锋教授首次设计了新型单原子Nb催化剂，以改进硫的固定化和催化。计算表明，Nb−N4活性部分具有丰富的未填充反键轨道，促进d-p杂交，通过“捕获-耦合-转换”机制增强了对多硫化物锂的锚定能力。Nb−SAs@NC电池在1000次循环后表现出超过85%的高容量保持率，在7℃时具有740 mA h g−1的优异倍率性能，5.2 mAh cm−2（5.6 mg cm−2）的面积容量。相关工作以“d‑p Hybridization-Induced “Trapping−Coupling−Conversion”Enables High-Efficiency Nb Single-Atom Catalysis for Li−S Batteries”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

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研究要点

要点1. 作者首次设计了锚定在N掺杂碳基质（Nb−SAs@NC）作为LiPS的有效固定剂和催化剂。通过密度泛函理论（DFT）计算建立了M-N4位点的活性中心、电子结构和吸附容量之间的关系。

要点2. 作者发现，与传统的第四周期SAC相比，畸变Nb-N位点导致了dxz/yz和dz2能级的增加，这使得电子能够填充成键轨道，并减少了反键轨道电子占据，从而加强SAC和Li-S中间体之间的d-p轨道杂交，并提供强的硫亲和力。此外，Nb-N4部分为加速LiPS的氧化还原动力学提供了足够的活性位点，进而实现了协同的“捕获-耦合-转换”机制，以提高Li-S电池的稳定性。

要点3. 基于Nb-SAs@NC的Li-S电池展现出优异的倍率能力（在7℃时，为740 mA h g−1）和优异的耐久性（在4℃时，1000次循环后具有超高保持率为85%）。这种先进的硫正极极提供了更高的面积容量，可以很容易地在具有突出机械稳定性的可折叠/可弯曲Li−S袋电池中实现，显示了商业应用中的品牌前景。

该工作为扩展正极提供了一个新的视角，以实现高能量密度锂电池。

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研究图文

图1. DFT计算的电子结构分析和轨道相互作用。

图2. Nb−SAs@NC的制造路线和局部结构分析。

图3. 粉末XRD图谱变化比较。

图4. 常规电池、高负载电池的电池性能，以及Li−S袋电池的验证。

图5. LiPS的有效锚固和催化转化导致的锂阳极保护。

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文献详情

d‑p Hybridization Induced“Trapping-Coupling-Conversion”Enables High-Efficiency Nb Single-Atom Catalysis for Li-S Batteries

Yan Zhang, Cong Kang, Wei Zhao, Yajie Song, Jiaming Zhu, Hua Huo, Yulin Ma, Chunyu Du, Pengjian Zuo, Shuaifeng Lou,* Geping Yin*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: 10.1021/jacs.2c10345