锂硫电池具有理论能量密度高、成本效益高的优点，已成为新一代储能器件的理想选择之一。然而，锂硫电池还存在诸多尚未解决的问题，首先，硫和Li₂S自身的绝缘性导致转化反应过程动力学缓慢，实际容量利用率低；其次，作为中间产物，多硫化锂(LiPS_s)在大多数有机液体电解质中存在显著的“穿梭效应”，可溶性硫在正极和负极之间穿梭，使反应界面恶化；此外，严重的体积变化(80%)导致硫正极的力学性能下降。因此，通过合适的催化材料的设计，构建具有优异固硫性能和提升硫的转化动力学具有重要意义。

近日，课题组孙林教授与南京大学、安徽大学合作在国际材料科学领域的权威期刊《Advanced Functional Materials》上发表了题为“D-Band Center Modulation of Metallic Co-Incorporated Co₇Fe₃ Alloy Heterostructure for Regulating Polysulfides in Highly Efficient Lithium-Sulfur Batteries”的研究论文。该工作在Co₇Fe₃合金催化剂的基础上，通过简单的热处理温度的调控，引入了额外的Co原子形成了具有异质结构的Co₇Fe₃Co催化剂。将该催化剂添加到科琴黑（KB）中形成载硫正极材料（S/KB/Co₇Fe₃Co），基于S/KB/Co₇Fe₃Co正极的锂硫电池显示了优异的电化学性能，在1 C的大电流密度下，循环1000圈后可逆比容量仍超过500 mAh g^-1，每圈的容量衰减率仅为0.046%。理论计算和实验结果解释了额外Co的引入，能改变Co₇Fe₃合金催化材料的d带中心位置，有效增强催化剂对多硫化锂中间体（尤其对短链的Li₂S₂和Li₂S）的吸附和催化转化性能。

该工作通过简单的热处理温度的调控在Co₇Fe₃合金催化剂中引入额外的Co原子以形成Co₇Fe₃Co异质结构。具体来说，首先在去离子水中溶解了适量的Fe(NO₃)₃·9H₂O和Co(NO₃)₂·6H₂O，并加入聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。随后，对所得溶液进行干燥处理，将得到的固体混合物置于管式炉中，在高纯氮气氛下，于600°C热处理2 h，得到Co₇Fe₃Co。当热处理温度过低时会形成Co₇Fe₃纯相。而当热处理温度过高时（如800°C），则会引入新的物相如Fe。所得材料的形貌表征见图1。

图1 Co₇Fe₃Co的制备流程图及形貌、元素组成分析

如图2所示，结合DFT理论计算和原位拉曼光谱测试深入研究了Co₇Fe₃Co对多硫化物的催化转化机理。结果表明，额外Co原子的引入能有效改变Co₇Fe₃合金材料的D带中心位置，使其对多硫化物的吸附能力得到增强，抑制了多硫化物的溶解，并且提升了多硫化物的催化转化动力学，从而提高电池的稳定性和综合电化学性能。

 图2 原位拉曼光谱及DFT理论计算

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202416826