北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦課題組在鋰硫電池動力學調節(jié)方面研究取得新進展，相關研究成果以《ActivatingInertMetallicCompoundsforHigh-RateLithium–SulfurBatteriesThroughIn-SituEtchingofExtrinsicMetal》為題在線發(fā)表于化學類頂級國際期刊《AngewandteChemieInternationalEdition》（《德國應用化學》，影響因子12.10）。該研究利用原位刻蝕的Ni3FeN促進多硫化物的表面反應，并采用先進的表征技術揭示了原位催化轉化機理。該工作開拓了多金屬合金/化合物作為高倍率Li–S電池動力學促進劑的新思路，也提出了催化表面反應和缺陷化學作用的新見解。本文的第一作者為北京理工大學前沿交叉科學研究院/材料學院碩士研究生趙夢，共同第一作者為清華大學彭翃杰博士，通訊作者為黃佳琦特別研究員。

因為具有較高的理論比能量，Li–S電池作為鋰離子電池最有希望的替代品受到極大的關注。其高能量密度依賴于可逆的表面電化學反應，在硫正極中引入電催化活性成分可以有效加速表面反應動力學，從而提高硫的利用率并減輕多硫化物的穿梭效應。然而，在電池工作條件下催化劑的真實活性相此前幾乎沒有被驗證過。深入挖掘表面反應機理，探明催化劑活性的來源對于指導催化劑設計具有關鍵作用。

圖1.多硫化物刻蝕誘導的活化機制

類似于金屬催化劑設計的合金化策略，該團隊在單金屬化合物中引入外在金屬，活化了原來的惰性相化合物，從而促進多硫化物的表面反應動力學。以六方氮化鎳（Ni3N）作為概念驗證，其對多硫化物的催化活性較差。在引入鐵元素后，Ni3N轉變?yōu)楦呋钚缘牧⒎芥囪F氮化物（Ni3FeN）。在Ni3FeN中，處于立方結構頂角處的較高正電性的鐵（與鎳相比）傾向于通過多硫化物的刻蝕過程浸出，從而在鎳位點的周圍留下大量空位缺陷，極大地提高了Ni3N的催化活性。

圖2.（a,b）循環(huán)前和（c,d）循環(huán)后Ni3FeN-G的HAADF-STEM圖像和相應的元素分布

該團隊利用高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡和相應的元素映射來揭示上述機制。如圖2所示，循環(huán)前的Ni3FeN顆粒中Ni和Fe元素的分布較為均勻。而循環(huán)后的Ni3FeN顆粒顯示出異常的鐵元素的表面富集，證明在循環(huán)期間由于多硫化物的刻蝕作用發(fā)生了相遷移，從而留下大量Fe元素的空位并提高催化活性。

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圖3.Ni3FeN催化作用下Li–S電池的電化學性能

鐵元素通過多硫化物的原位刻蝕作用而浸出，產生高活性的富空位相，從而促進了多硫化物的動力學轉化過程。這種富空位的Ni3FeN催化的Li–S電池表現出優(yōu)異的倍率性能和高硫負載下的循環(huán)穩(wěn)定性，并且可以極大降低電解液用量。這項工作不僅闡述了惰性單金屬化合物的外在金屬活化機制，也證明了原位相演化和空位的形成在調節(jié)催化反應中的重要作用。