電動(dòng)汽車的快速發(fā)展對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)提出了更高要求，高能量密度與極速充電能力成為關(guān)鍵突破方向。鋰硫電池憑借2600 Wh kg?1的理論能量密度、低成本及環(huán)境友好性，被視為下一代儲(chǔ)能體系的重要候選。然而，多硫化物穿梭效應(yīng)導(dǎo)致的容量衰減和硫氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)遲緩，始終制約著其商業(yè)化進(jìn)程。近期，哈爾濱師范大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過單原子催化劑創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在鋰硫電池性能提升領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，相關(guān)成果分別發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（AFM）和《化學(xué)工程雜志》（CEJ）。

針對(duì)極端快充條件下Li?S分解緩慢引發(fā)的活性位點(diǎn)鈍化問題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了Cu單原子錨定高熵氧化物（Cu-PHEO）催化劑。通過構(gòu)建界面內(nèi)置電場(chǎng)，該材料在10C充電（4.5分鐘完成）與0.5C放電（90分鐘）的嚴(yán)苛條件下，經(jīng)100次循環(huán)后仍保持83.2%的容量。X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS）分析顯示，Cu原子以+1.83的平均氧化態(tài)通過Cu-O-M鍵錨定于材料表面，形成配位不飽和活性位點(diǎn)。同步輻射小波變換分析進(jìn)一步證實(shí)，Cu原子呈原子級(jí)分散狀態(tài)，其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)顯著加速了Li?S的氧化分解動(dòng)力學(xué)。

對(duì)高熵氧化物中Co、Fe、Ni等金屬中心的XAFS表征發(fā)現(xiàn)，引入Cu單原子后，這些金屬的M-O鍵長(zhǎng)系統(tǒng)性增長(zhǎng)0.1-0.2 ?。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種結(jié)構(gòu)變化源于M-O-Cu橋接鍵形成的電子離域效應(yīng)，導(dǎo)致原始M1-O-M2對(duì)稱性被破壞。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，Cu錨定引發(fā)的電荷密度重排，有效抑制了多硫化物穿梭效應(yīng)，為極端快充條件下的電池穩(wěn)定性提供了關(guān)鍵支撐。

在另一項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)針對(duì)傳統(tǒng)碳載體單原子催化劑配位環(huán)境單一的問題，創(chuàng)新性地開發(fā)了Fe摻雜CoP晶格材料（Fe-SACs/CoP）。該設(shè)計(jì)通過Fe-S配位引入強(qiáng)電負(fù)性中心，同時(shí)實(shí)現(xiàn)Fe高自旋態(tài)與Co低自旋態(tài)的協(xié)同調(diào)控。X射線發(fā)射光譜（XES）分析顯示，F(xiàn)e在CoP晶格中呈現(xiàn)+2.5價(jià)高自旋態(tài)，其Kβ'特征峰強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，表明未配對(duì)d電子數(shù)量增加，有利于與多硫化物中S原子的p軌道雜化。與此同時(shí)，Co中心的Kβ'譜線強(qiáng)度減弱且主峰下移，證明自旋態(tài)降低有效抑制了晶格自旋極化。

拉曼光譜測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提升：Fe-SACs/CoP的特征峰半高寬減小且峰形尖銳化，表明晶格剛性顯著增強(qiáng)。這種雙位點(diǎn)協(xié)同催化機(jī)制使硫氧化還原反應(yīng)速率提升3倍以上，在5C倍率下循環(huán)200次后容量保持率達(dá)89%。研究團(tuán)隊(duì)指出，該設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)單原子催化劑僅依賴單一活性中心的局限，為開發(fā)高效穩(wěn)定鋰硫電池催化劑提供了新范式。

兩項(xiàng)研究均采用Quantum Design中國引進(jìn)的easyXAFS臺(tái)式X射線吸收譜儀完成關(guān)鍵表征。該設(shè)備在原子尺度解析催化劑電子結(jié)構(gòu)、自旋特征及配位環(huán)境方面表現(xiàn)出色，其高精度數(shù)據(jù)采集能力為微觀機(jī)制與宏觀性能關(guān)聯(lián)分析提供了可靠實(shí)驗(yàn)依據(jù)。Quantum Design中國自2004年成立以來，持續(xù)引進(jìn)全球頂尖科學(xué)儀器，已為國內(nèi)物理、化學(xué)、材料領(lǐng)域數(shù)百家科研機(jī)構(gòu)提供技術(shù)支持，助力中國科學(xué)家在新能源材料領(lǐng)域取得多項(xiàng)突破性成果。