单原子催化剂局部电子调控加速铝硫电池转化动力学的突破性研究

　　针对铝硫(Al-S)电池中Al3+ 高电荷密度导致的缓慢转化动力学和穿梭效应，研究人员设计了一种氮氧共掺杂多孔碳负载的钴基单原子催化剂(Co-NO)。该催化剂通过调控局部电子结构，显著提升铝多硫化物(Al2 S6 /Al2 S12 )转化速率，使电池放电平台达0.8 V，初始容量达1400 mAh g?1 ，100次循环后仍保持385 mAh g?1 ，为高能量密度储能系统提供新策略。

　　

铝硫电池因其1675 mAh g^?1
的理论比容量和1340 Wh kg^?1
的能量密度，被视为下一代储能技术的潜力候选者。然而，Al³⁺
的高电荷密度导致的多硫化物溶解、缓慢的固-液-固相变动力学，以及严重的穿梭效应，始终制约着其实际应用。特别是在充放电过程中，Al₂
Cl₇
^?
的解离能垒和铝多硫化物（如Al₂
S₆
、Al₂
S₁₂
）的复杂转化路径，使得电池的循环寿命和能量效率远低于理论值。

为解决这些挑战，北京科技大学的研究团队创新性地设计了一种氮氧双配位的钴基单原子催化剂（Co-NO）。该研究通过调控钴原子的d轨道电子分布，显著提升了Al-S键的断裂效率，使充电-放电电压滞后从传统体系的>1 V降低至0.55 V，同时将硫利用率提升至83.6%。相关成果发表于《Journal of Energy Storage》。

关键技术包括：1）以二氧化硅为模板制备氮氧共掺杂多孔碳载体；2）通过同步辐射X射线吸收谱（XAS）确认Co-N₃
O₁
配位结构；3）采用恒电流间歇滴定技术（GITT）量化反应动力学参数；4）结合原位紫外光谱追踪多硫化物转化路径。

材料制备与表征
通过软模板法将钴原子锚定在氮氧修饰的碳骨架上，球差校正电镜（AC-HAADF-STEM）显示钴以单原子形式分散，X射线光电子能谱（XPS）证实Co 2p_3/2
结合能向低场移动0.8 eV，表明电子从氧原子向钴转移。这种电子重排使Co成为路易斯酸位点，对Al₂
Cl₇
^?
的解离能降低42%。

结果与讨论
电化学测试显示，S@Co-NO正极在100 mA g^?1
下展现0.8 V的放电平台，远高于常规硫正极（<0.5 V）。密度泛函理论（DFT）计算揭示，Co-N₃
O₁
位点对Al₂
S₆
的吸附能达?2.34 eV，比纯氮配位结构强1.7倍。原位拉曼光谱证实，该催化剂使Al-S键断裂活化能从1.28 eV降至0.67 eV。

结论
该工作通过原子级电子结构调控，首次实现铝多硫化物的快速液-固转化，使电池在2 C倍率下仍保持62%的容量保持率。这种"配位环境-电子结构-催化活性"的构效关系，为其他多价金属-硫电池的设计提供了普适性范式。

意义与展望
研究不仅解决了Al-S电池动力学滞后的核心难题，更开创了通过杂原子配位调控单原子催化剂（SACs）局域极化的新方向。未来可通过扩展至铁、镍等过渡金属体系，进一步优化多硫化物转化路径，推动高能量密度储能器件的实用化进程。