对称性破缺工程调控铁单原子催化剂加速锂离子脱溶剂化助力高性能锂硫电池

　　锂硫电池因多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应和缓慢的氧化还原动力学而面临实际应用瓶颈。华东理工大学团队通过设计不对称N,S配位的铁单原子催化剂（FeSAC-NS），提出"分子剪刀"机制，有效降低Li+ 脱溶剂化能垒，加速Li+ 扩散动力学。该研究实现了5C下767 mAh g?1 的高倍率性能和700次循环0.034%的衰减率，为高能量密度电池开发提供了新思路。

　　

锂硫电池因其高达2600 Wh kg^?1
的理论能量密度被视为下一代储能技术的希望之星，但可溶性多硫化锂（LiPSs）的"穿梭效应"和缓慢的氧化还原转换动力学始终是制约其商业化的阿喀琉斯之踵。问题的核心在于电极/电解质界面处Li⁺
扩散动力学的高能垒，特别是Li⁺
-溶剂复合物脱溶剂化过程的能量障碍。传统解决方案如MXene基催化网络虽有一定效果，但仍存在活性位点不足、制备成本高等缺陷。

华东理工大学的研究团队另辟蹊径，将目光投向单原子催化剂（SAC）的对称性破缺工程。通过熔融盐辅助策略成功合成具有不对称N,S配位的铁单原子催化剂（FeSAC-NS），其独特的N-Fe-S活性结构犹如"分子剪刀"，能够精准剪断Li⁺
的溶剂化鞘层。理论计算表明，这种对称性破缺引起的电子重排使Fe位点d带中心上移，与Li⁺
产生强相互作用，将Li⁺
脱溶剂化能垒从1.58 eV显著降至0.87 eV。

研究采用同步辐射X射线吸收谱（XAS）和差分相位对比扫描透射电子显微镜（DPC-STEM）证实了Fe单原子的不对称配位环境。电化学测试显示，FeSAC-NS修饰的电池在5C倍率下展现767 mAh g^?1
的容量，700次循环后容量衰减率仅0.034%。即使在0℃低温环境下，350次循环的衰减率也保持在0.056%/循环。

这项工作的重要意义在于首次揭示了不对称配位单原子催化剂调控Li⁺
脱溶剂化行为的分子机制，突破了传统研究仅关注多硫化锂吸附-转化的局限。研究者提出的"Li⁺
动力泵"概念为高寒地区储能设备开发提供了新思路，其对称性破缺工程策略可拓展至其他金属-空气电池体系。论文发表于《Journal of Colloid and Interface Science》，为界面电化学研究树立了新范式。

关键技术方法包括：熔融盐辅助合成不对称配位单原子催化剂；同步辐射X射线吸收谱表征配位环境；差分相位对比STEM观测原子分散；密度泛函理论（DFT）计算电子结构；电化学阻抗谱分析界面动力学。

【结果与讨论】

1. 材料设计与表征：通过熔融盐法构建的FeSAC-NS具有明确的N-Fe-S配位结构，XAS证实Fe价态为+2.3，EXAFS拟合显示Fe-N/S键长为1.98 ?。

2. 催化机制解析：DFT计算表明N-Fe-S位点通过轨道杂化降低Li⁺
   脱溶剂化能垒，差分电荷密度显示电荷从Fe向S转移形成电子富集区。

3. 电化学性能：对称电池测试显示FeSAC-NS的Li₂
   S成核过电位仅97 mV，低于对称N₄
   配位的对照组（218 mV）。

4. 实际应用验证：6.0 mg cm^?2
   高硫载量下仍保持4.3 mAh cm^?2
   的面容量，0℃低温性能显著优于传统催化剂。

该研究开创性地将对称性破缺概念引入Li⁺
脱溶剂化过程调控，为破解锂硫电池界面动力学瓶颈提供了原子尺度的解决方案。作者团队通过精准调控单原子Fe的局部配位环境，实现了对Li⁺
溶剂化结构的"剪裁"式调控，这种"原子工程"策略对发展极端环境适用的高能量密度储能系统具有重要指导价值。