催化材料與反應(yīng)物間的電子傳輸是實(shí)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(yīng)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(yīng)物吸附-催化反應(yīng)-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(yīng)呈現(xiàn)“反應(yīng)物吸附-催化反應(yīng)-產(chǎn)物沉積”特征。固相絕緣產(chǎn)物的沉積隨著反應(yīng)進(jìn)行，會(huì)持續(xù)覆蓋催化位點(diǎn)，阻斷催化材料與后續(xù)反應(yīng)物間的電子傳輸，導(dǎo)致催化活性喪失。因此，對(duì)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的持續(xù)高效進(jìn)行。
中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心先進(jìn)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(yīng)物質(zhì)間的電子輸運(yùn)方向，重新定義了電池用催化材料的設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(xué)描述符的局限性?；谠摐?zhǔn)則發(fā)展的催化材料能改變產(chǎn)物的絕緣性，在反應(yīng)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(shí)級(jí)軟包鋰硫電池的能量密度超過450?Wh?kg-1，驗(yàn)證了上述準(zhǔn)則在實(shí)際復(fù)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(duì)351種催化材料開展了密度泛函理論計(jì)算優(yōu)選和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，解耦了熱力學(xué)反應(yīng)能壘與產(chǎn)物電子性質(zhì)在催化固相轉(zhuǎn)化反應(yīng)中的作用規(guī)律：在反應(yīng)初始階段，催化材料的熱力學(xué)反應(yīng)能壘起主導(dǎo)作用，具有熱力學(xué)優(yōu)勢(shì)的雙原子催化材料可加速產(chǎn)物的成核動(dòng)力學(xué)；但隨著中間產(chǎn)物不斷積累，反應(yīng)不再由熱力學(xué)因素主導(dǎo)，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(xué)體系確立了普適性設(shè)計(jì)原則，也為電催化反應(yīng)設(shè)計(jì)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(huì)明研究員為論文的通訊作者。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
雙原子催化材料促進(jìn)鋰硫和鋰空氣電池的性能提升
