鋰硫電池具有高的理論比容量(1675mAh/g )和比能量(2600Wh/kg )，且正極硫具有儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、環(huán)境友好、生物相容性高、毒性低等優(yōu)勢，已成為了目前極具應(yīng)用潛力的儲(chǔ)能器件之一。而要實(shí)現(xiàn)此類材料真正大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，在硫正極的研究方面仍然存在諸多重要的基礎(chǔ)科學(xué)問題亟待突破：如：多硫化物聚集、穿梭現(xiàn)象嚴(yán)重，而現(xiàn)有催化劑對(duì)其轉(zhuǎn)化效率有限；目前報(bào)道的大多數(shù)硫轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以準(zhǔn)確揭示構(gòu)效關(guān)系；從S₈到Li₂S的轉(zhuǎn)化涉及16電子復(fù)雜歷程，硫轉(zhuǎn)化機(jī)制尚不清晰等。

近期，我校楊植教授課題組由血紅素作為諸多天然酶的活性中心受到啟發(fā)，結(jié)合仿生催化的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)開發(fā)出了基于羧基功能化碳納米管固定的血紅素人工模擬酶，用于高效促進(jìn)硫轉(zhuǎn)化，以提升電池性能，取得巨大的進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的材料類著名雜志Advanced Functional Materials（2020, DOI:10.1002/adfm.202003354, IF=15.6), 我校為唯一通訊作者單位，通訊作者楊植教授，第一作者為我校碩士研究生丁欣慰同學(xué)和青年教師楊碩博士。

Figure 1. Schematic configuration of a Li–S battery based on three CNTs-FG@hemin cathodes (FG= NH₂, OH, COOH), and the mechanism of polysulfides adsorption at the CNTs-COOH@hemin cathode.

該項(xiàng)工作通過將仿生分子氯化血紅素(hemin)共價(jià)修飾到羧基化的碳納米管上，合成了一種高效的仿生催化劑(CNTs-COOH@hemin) 來加速對(duì)多硫化鋰轉(zhuǎn)化。系列原位光譜(紅外、拉曼、紫外)的研究以及DFT計(jì)算表明：CNTs-COOH@hemin 中Fe-O鍵的Fe(III)原子可以作為有效的位點(diǎn)來錨定多硫化鋰，同時(shí)促進(jìn)長鏈多硫化鋰轉(zhuǎn)化為 S₃^2-(或S₃^*-)，顯著抑制了穿梭效應(yīng)。引入了這種仿生催化劑的陰極展示了1637 mAh g^-1的初始容量和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

在此基礎(chǔ)上，課題組還依據(jù)鋰硫電池的硫轉(zhuǎn)化過程中，需要經(jīng)歷多步連串反應(yīng)，以及固-液-固多相轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)，提出設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于酞菁鐵(FePc)和八氟萘(OFN)功能化石墨烯，作為雙控催化硫轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，以提高對(duì)多硫化鋰的錨定和轉(zhuǎn)化。系列原位光譜、 XPS及 DFT 計(jì)算表明: FePc可以通過Fe???S 配位鍵來錨定多硫化物，同時(shí)有效的剪切長鏈多硫化鋰；OFN 可以通過鋰鍵的作用結(jié)合多硫化鋰，促進(jìn)短鏈多硫化鋰的轉(zhuǎn)化。這種仿生雙控催化劑(Gh/FePc+OFN)的引入不僅可以雙重錨定多硫化鋰，而且在硫的轉(zhuǎn)化過程中可以有效地促進(jìn)多步催化，顯著提高對(duì)多硫化鋰轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在近期的化學(xué)、材料類著名雜志ACS Nano（2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c03403, IF=13.9),溫州大學(xué)為唯一通訊作者單位，通訊作者楊植教授，第一作者為該校碩士生周蘇雅同學(xué)和青年教師楊碩博士。

Figure 2. The schematic diagrams to show the adsorption and conversion mechanisms of LiPSs at the surface of (g) CNTs-S/Gh/FePc+OFN cathode, (h) CNTs-S/Gh/FePc cathode, (i) CNTs-S/Gh/OFN cathode, respectively. The yellow and green balls represent S and Li atoms, respectively.