第一作者ong>:  雷杰

通讯作者:  董全峰，陈嘉嘉

通讯单位:  厦门大学

研究内容：

在锂离子电池正极中发生的氧化还原反应掩盖了各种关键的电催化过程，这强烈地影响了该电化学储能系统的性能。在这里，作者研究了一种单分散分子团簇催化剂复合材料的开发，该复合材料由聚氧金属酸盐框架([Co₄(PW₉O₃₄)₂]¹⁰⁻)和多层还原氧化石墨烯组成。由于界面电荷转移和不饱和钴位点的暴露，该复合材料表现出高效的多硫化物吸附和降低的多硫化物转化的活化能，从而可作为双功能电催化剂。该工作通过静电组装的合成方法，以带正电荷的聚(乙烯亚胺)为连接剂，将[Co₄(PW₉O₃₄)₂]¹⁰⁻ ({Co₄W₁₈})团簇以单分子状态均匀锚定在还原氧化石墨烯(rGO)上，形成{Co₄W₁₈}/rGO复合物。{Co₄W₁₈}团簇分子中暴露的大量不饱和的钴位点，能显著增强复合材料对多硫化物的吸附，并降低多硫化物转化反应的活化能，通过“吸附-活化”双功能催化效应，促进放电产物Li₂S的沉积与氧化。研究者将该模型电催化剂应用于锂硫软包电池，初步探索了其在接近实际电池状态下的性能。

示意图1

要点一：

作者成功地以带正电荷的聚（乙基亚胺）作为连接剂，在rGO表面开发了单分散的{Co₄W₁₈}团簇。脱水的{Co₄W₁₈}团簇暴露不饱和钴原子，吸附增强，将LiPSs的活化能从原始r氧化石墨烯的0.55eV降低到{Co₄W₁₈}/rGO的0.3eV。

要点二：

此外，与{Co₄W₁₈}+rGO相比，{Co₄W₁₈}/rGO复合材料可以暴露丰富的活性位点，实现更均匀的Li₂S沉积，降低Li₂S的活化屏障。

要点三：

    此工作从原子级的角度说明了单多氧金属酸盐分子簇催化剂对硫氧化还原反应的催化机理。催化剂和硫物种之间的基本相互作用已被指出和澄清。此外，由于POM团簇的结构和化学可调性，可以建立结构-性质-功能关系，这为硫转化反应以外的其他催化领域设计先进催化剂提供了一个很有前途的策略。

图1：还原氧化石墨烯的制备和表征。

图2：聚硫化物的吸附和转化反应。a Li₂S₆溶液被不同材料吸附3h后的紫外-可见吸附光谱（插入图：上述溶液的光学图像）。b rGO、Co₄W₁₈}+rGO和Co₄W₁₈}/rGO电极下Li₂S₆对称细胞的CV曲线和c Nyquist图。rGO和{Co₄W₁₈}/rGO在聚硫化物吸附前后的d S2p、e Co2p和f O1s峰的XPS图谱。

图3：Li₂S沉积和氧化的双功能催化行为。a-c Li₂S₈溶液在rGO、{Co₄W₁₈}+rGO和{Co₄W₁₈}/rGO电极上的抗电位成核谱。d rGO、{Co₄W₁₈}+rGO和{Co₄W₁₈}/rGO电极上Li₂S氧化的LSV曲线和Tafel图。e {Co₄W₁₈}/rGO复合材料表面Li₂S沉积和氧化的双功能催化效果示意图。f rGO（蓝线）和{Co₄W₁₈}（红线）上Li₂S→LiS+Li的能量谱。

图4：基于各种硫阴极的锂离子电池的电化学性能。

参考文献

Jie Lei, Xiao-Xiang Fan, Ting Liu, Pan Xu, Qing Hou, Ke Li, Ru-Ming Yuan, Ming-Sen Zheng, Quan-Feng Dong & Jia-Jia Chen, Single-dispersed polyoxometalate clusters embedded on multilayer graphene as a bifunctional electrocatalyst for efficient Li-S batteries, Nat Commun, 2022, 13, 202.