【研究背景】

開(kāi)發(fā)高能量密度鋰硫（Li-S）電池的路線(xiàn)描繪了充分利用清潔和綠色可再生資源的前景。目前，Li?S電池最棘手的問(wèn)題是其遲緩的硫氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以及中間多硫化鋰（LiPSs）在高硫載量和貧電解質(zhì)條件下的擴(kuò)散穿梭。與典型的催化過(guò)程類(lèi)似，貧電解質(zhì)硫轉(zhuǎn)化的第一步涉及LiPS去溶劑化，而氧化Li2S前的最后一步需要釋放所占據(jù)的催化活性位點(diǎn)。雖然這些步驟是定義整體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵步驟，但這兩個(gè)步驟在此前的Li?S化學(xué)中很少涉及。此過(guò)程涉及多步電子轉(zhuǎn)移和多相轉(zhuǎn)化，因此需要有針對(duì)性和高效的催化劑。

【工作介紹】

近日，我院楊植教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江大學(xué)的范修林教授，在國(guó)際知名期刊Advanced Function Materials上發(fā)表題為“Dynamic stereo-conformation of catalyst-in-cavity biomimetic enzymes enable high-sulfur-utilization and lean-electrolyte lithium-sulfur batteries”的文章。該工作，受啟發(fā)于天然酶結(jié)構(gòu)中各組分的協(xié)同作用，巧妙將磺化鈷酞菁（CoPC）催化中心植入β-環(huán)糊精（β-CD）腔中，在硫正極中高精度地構(gòu)筑了仿生酶催化劑（β-CD@CoPC）。這種多功能的β-CD@CoPC催化劑顯著提高了貧電解質(zhì)鋰硫電池的硫氧化還原活性，同時(shí)加速了放電產(chǎn)物L(fēng)i2S在催化劑表面的解離。結(jié)果表明，具有β-CD@CoP仿生催化劑的Li?S軟包電池實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的電化學(xué)性能。通過(guò)多種半原位/原位實(shí)驗(yàn)手段系統(tǒng)地確定了電化學(xué)性能改進(jìn)的根源。更重要的是，通過(guò)擬合米氏方程確定了米凱利斯常數(shù)（Km）是鋰硫電池仿生酶催化活性的關(guān)鍵描述符，有助于快速、高效地篩選Li-S電池催化劑。

圖1. 仿生酶催化的硫轉(zhuǎn)化機(jī)理、酶催化活性的關(guān)鍵描述符及軟包電池循環(huán)性能圖

相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于近期的《Advanced Function Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202406455），溫州大學(xué)為第一通訊單位，溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院2022級(jí)博士生東洋洋和浙江大學(xué)博士生張海闊為共同第一作者，我院楊植教授、蔡冬博士、楊碩副教授和浙江大學(xué)范修林教授為該論文共同通訊作者，相關(guān)工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金（22309136、22109119、51972238）、浙江省自然科學(xué)基金(LQ22B030003、LR23B030002)、溫州市重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目(ZG2021013)和溫州大學(xué)博士創(chuàng)新基金（3162023001002）等項(xiàng)目的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202406455