多硫化锂（LiPSs）的缓慢氧化还原动力学及其导致的穿梭效应仍然是锂硫（Li–S）电池实际应用中面临的重大挑战。使用电催化剂加速多硫化锂的氧化还原转化最近已成为提高锂硫电池性能行之有效的方法，但高性能催化剂的开发仍然是一个巨大的挑战。为了解决这一问题，松山湖材料实验室能源转换与存储材料团队的研究人员利用一步水热法制备了一种负载在氨基修饰的MXene（Ti3C2-NH2）上的双金属镍/钴有机框架（Ni/Co-MOF）电催化剂，并将其作为硫宿主材料（图1a-d）提升锂硫电池性能。系统的动力学与热力学实验表明，Ni和Co位点之间的协同作用促进了多硫化锂的双向转化。电化学测试结果显示，使用Ni/Co-MOF@TCN作为硫宿主的锂硫电池在0.1 C倍率下表现出1465 mAh g−1的高比容量，并在1 C倍率下展现出卓越的长循环稳定性，经过600个循环后，每圈容量衰减率仅为0.052%（图1e）。
图1. (a) Ni/Co-MOF@TCN合成示意图。(b-d) Ni-MOF@TCN、Co-MOF@TCN 和 Ni/Co-MOF@TCN 的透射电镜（TEM）图。(e) 含有不同催化剂的硫正极在1 C倍率下的长循环稳定性。(f) 高硫载量和贫电解液条件下的长循环稳定性。(g) 单层软包电池的循环稳定性。
令人印象深刻的是，即使在高硫载量（6.8 mg cm−2）且贫电解液（E/S比为5 μL mg–1）的条件下，利用Ni/Co-MOF@TCN作为硫宿主的锂硫电池仍能实现6.81 mAh cm−2的面容量（图1f）。此外，Ni/Co-MOF@TCN在单层Li-S软包电池中也表现出优异的性能（图1g）。密度泛函理论（DFT）计算表明（图2），将镍和钴金属同时引入有机框架（MOF）中会产生显著的电子耦合效应，使得Ni/Co-MOF@TCN中镍和钴位点的d带中心变得十分接近，从而对LiPSs表现出相差无几的吸附和解离能力，进一步验证了Ni和Co在多硫化锂氧化还原过程中均可作为高效的催化活性位点，从而有助于LiPSs的双向催化转化。
图2. (a) Ni/Co-MOF@TCN-Li2S6、Ni-MOF@TCN-Li2S6 和 Co-MOF@TCN-Li2S6 的PDOS及相应金属的d带中心。(b) 吸附在Ni/Co-MOF@TCN、Ni-MOF@TCN和Co-MOF@TCN上的Li2S6中S的PDOS及p带中心。(c) 不同多硫化锂（S8、Li2S8、Li2S6、Li2S4、Li2S2和Li2S）与电催化剂之间的结合能。(d) Li2S6与 Ni/Co-MOF@TCN、Ni-MOF@TCN和Co-MOF@TCN催化剂之间的差分电荷密度 (黄色和蓝色区域分别代表电子累积和耗尽)。(e) LiPSs在不同催化剂表面被还原的吉布斯自由能台阶图。
本工作以“Bimetallic active sites with tailored d-bands boost multistep sulfur redox reactions for enhanced lithium-sulfur battery performance”为题于2025年2月16号发表在领域内知名期刊《Chemical Engineering Journal》上。能源转换与存储材料团队博士后王伟、材料计算与数据库平台司建国博士后、香港城市大学岳利国博士为文章的共同第一作者，能源转换与存储材料团队刘利峰研究员，材料计算与数据库平台孟胜研究员为文章的共同通讯作者。松山湖材料实验室为文章的第一及通讯单位。
该文章的网络链接为：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160363
