催化材料與反應物間的電子傳輸是實現(xiàn)催化活性的關(guān)鍵。有效的電子傳輸能夠提升轉(zhuǎn)化反應效率，是發(fā)揮電池能量密度的核心所在。然而，不同于典型催化體系中“反應物吸附-催化反應-產(chǎn)物脫附”過程，金屬-硫、金屬-空氣等高比能電池中的轉(zhuǎn)化反應呈現(xiàn)“反應物吸附-催化反應-產(chǎn)物沉積”特征。固相絕緣產(chǎn)物的沉積隨著反應進行，會持續(xù)覆蓋催化位點，阻斷催化材料與后續(xù)反應物間的電子傳輸，導致催化活性喪失。因此，對于轉(zhuǎn)化型高比能鋰電池而言，催化材料面臨的核心挑戰(zhàn)不僅是提升材料的本征催化活性，更是在固相產(chǎn)物覆蓋的情況下維持高效的電子傳輸，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)化反應的持續(xù)高效進行。
中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心先進炭及二維材料研究部的科研人員聚焦電池催化材料與反應物質(zhì)間的電子輸運方向，重新定義了電池用催化材料的設計準則，提出了以產(chǎn)物電子性質(zhì)為核心的新思路，突破了常規(guī)熱力學描述符的局限性?；谠摐蕜t發(fā)展的催化材料能改變產(chǎn)物的絕緣性，在反應過程中，維持高效的催化活性，顯著提升了轉(zhuǎn)化型鋰硫電池與鋰氧電池的性能。所構(gòu)建的安時級軟包鋰硫電池的能量密度超過450?Wh?kg-1，驗證了上述準則在實際復雜體系中的有效性。研究成果近期以“Breaking insulating barriers in solid-phase conversion reactions with dual-atom catalysts for high-energy lithium batteries”為題發(fā)表于《Nature Catalysis》期刊上。
該研究以具有明確空間構(gòu)型和可調(diào)電子結(jié)構(gòu)的雙原子催化材料為模型體系，對351種催化材料開展了密度泛函理論計算優(yōu)選和實驗驗證，解耦了熱力學反應能壘與產(chǎn)物電子性質(zhì)在催化固相轉(zhuǎn)化反應中的作用規(guī)律：在反應初始階段，催化材料的熱力學反應能壘起主導作用，具有熱力學優(yōu)勢的雙原子催化材料可加速產(chǎn)物的成核動力學；但隨著中間產(chǎn)物不斷積累，反應不再由熱力學因素主導，產(chǎn)物的電子性質(zhì)成為決定整體催化性能的關(guān)鍵因素。該工作不僅為受絕緣固相轉(zhuǎn)化限制的電化學體系確立了普適性設計原則，也為電催化反應設計開辟了新方向。
金屬所于彤副研究員、博士畢業(yè)生肖茹為論文共同第一作者，李峰研究員、孫振華研究員和成會明研究員為論文的通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和博士后創(chuàng)新人才支持計劃等項目的支持。
雙原子催化材料促進鋰硫和鋰空氣電池的性能提升
