余彦/芮先宏/姚雨AM：单原子钒催化剂促进钠硫电池中多硫化物的反应动力学

目前，室温钠硫（RT Na-S）电池因理论能量密度高、硫/钠含量丰富、环境友好、成本低等优点而备受关注。然而，其实际应用受到S的电子绝缘性质、缓慢反应动力学、大体积变化及可溶性多硫化钠（NaPSs）的穿梭效应等问题的阻碍。

在此，中国科学技术大学余彦教授、姚雨及广东工业大学芮先宏教授等人基于第一性原理计算，设计并制备了锚定在三维N掺杂分级多孔碳基体上的单原子钒催化剂（3D-PNCV），以提高硫的反应活性、NaPSs的吸附和催化转化性能。

为筛选出对多硫化物具有最高吸附和催化转化效率的单原子催化剂（SAC），作者首先使用第一性原理计算评估了单原子底物（如V、Mn、Fe、Ni和Co）与多硫化物之间的相互作用。理论结果表明V单原子是最有效的催化剂，可将液态多硫化物快速催化转化为固态多硫化物。随后，作者构建了以原子方式分散在三维N掺杂多孔碳基体中的N、O配位V活性位点作为理想主体，以改善NaPSs的化学吸附及其有效转化。

图1. DFT研究金属单原子催化剂与NaPS之间的界面相互作用

研究表明，3D-PNCV主体具有以下优点：

1）具有丰富微/介孔的3D-PNCV主体不仅可为S/Na₂S提供快速电子通道，还可减轻S钠化引起的体积膨胀；

2）3D-PNCV可促进电解液渗透；

3）高活性V单原子通过强V-N键有效捕获多硫化物并抑制其溶解，从而及时催化多硫化物转化为固态放电产物。

因此，当 3D-PNCV主体应用于Na-S化学时，它显示出出色的循环稳定性（在5 A g^-1下800次循环后容量为445 mAh g^-1，每次循环对应的容量损失仅为0.026%）和优异的倍率性能（224 mAh g^-1@10 A g^-1）。此外，作者还通过实验和理论进一步揭示了NaPSs的电催化机理。总之，这项工作为设计用于Na-S化学的独特SAC以促进多硫化物的氧化还原反应开辟了一条新途径。

图2. 3D-PNCV@S电极的电化学性能

Single-Atom Vanadium Catalyst Boosting Reaction Kinetics of Polysulfides in Na-S Batteries, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202208873

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