與傳統(tǒng)催化劑相比，單原子催化劑(SACs)在促進(jìn)鋰硫電池（LSBs）中可溶性鋰多硫化物(LiPSs)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和抑制其穿梭效應(yīng)方面表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。然而，它們受限于單原子金屬位點(diǎn)的有限比率。金屬有機(jī)框架(MOFs)在調(diào)節(jié)催化單原子位點(diǎn)和通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)操縱與客體分子的軌道雜交方面具有巨大的潛力。

在此，廣東工業(yè)大學(xué)黃少銘教授和張琪副教授團(tuán)隊(duì)合成了一系列具有合理設(shè)計(jì)的M-N₄（M= Fe³⁺，Co²⁺, Ni²⁺和Cu²⁺）單原子金屬位點(diǎn)的卟啉基MOF納米片（PCN-222（M）-NSs）來(lái)操縱M-N₄ 中心和 LiPS之間的d-p軌道雜化。

通過(guò)系統(tǒng)的原位/非原位電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算表明，PCN-222(Cu)-NS的Cu- N₄中心對(duì)促進(jìn)LiPSs轉(zhuǎn)化和抑制穿梭效應(yīng)的效果最好，因?yàn)镃u-N4與硫物種之間存在最有效的d-p軌道雜化。結(jié)果顯示，添加了PCN-222(Cu)-NS/石墨烯中間層的LSBs在低和高硫負(fù)荷時(shí)，放電容量顯著提高，衰減率顯著降低。

圖1. PCN-222 (M)-NS的作用機(jī)制

總之，該工作通過(guò)設(shè)計(jì)具有不同M-N₄單原子位置的配合物，即PCN-222 (M)-NS (M)Fe³⁺,Co²⁺,Ni²⁺和Cu²⁺)，用于調(diào)控硫物種的d-p軌道雜化，進(jìn)而調(diào)節(jié)SRR的氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，緩解LSB中LiPS的穿梭效應(yīng)。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算表明，PCN-222(Cu)-NS通過(guò)Cu-N₄位點(diǎn)與LiPS的有效d-p軌道雜化，在弱化S-S鍵和加速SRR過(guò)程中表現(xiàn)出最佳效果。

PCN-222(Cu)-NS使LSB具有較高的放電容量和良好的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性，使LSB在1C時(shí)的性能比純PP隔膜提高274%。因此，該項(xiàng)工作提供了一個(gè)非常有效的策略來(lái)構(gòu)建基于MOF的單原子催化劑應(yīng)用于高性能的LSBs。

圖2. 電池性能

Manipulating Orbital Hybridization of Single-Atom Catalytic Sites in Metal-Organic Framework for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries, Nano Energy 2023 DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108813