近日，国际化学与材料领域顶级期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition，影响因子12.2）报道了北京理工大学前沿交叉科学研究院黄佳琦课题组在锂硫（Li–S）电池多相催化方面的研究新进展，相关研究成果以“Electrochemical Phase Evolution of Metal-Based Pre-Catalysts for High-Rate Polysulfide Conversion”为题在线发表。该工作第一作者为北京理工大学前沿交叉科学研究院博士研究生赵梦，共同第一作者为彭翃杰博士，通讯作者为北京理工大学黄佳琦教授。

　　工作状态下的催化剂的相/结构演变对其催化活性和反应动力学具有重要影响。目前，催化剂原位相演化的理解与探究仅限于质子氢/氧（水）电化学，在非质子电化学领域的相应研究相对匮乏。而非质子电化学反应却是具有高能量密度的碱金属（Li/Na/K）-硫族元素（S/O₂）电池的基石。由于涉及到多电子转移反应，这些电池体系往往需要高效的电催化剂来促进电化学反应的迟缓动力学。然而，目前尚不清楚这些催化剂在非质子环境中如何演化以及这种演化行为对催化性能的真实影响。探究非质子环境中大半径碱金属阳离子和中间体在催化剂演变中的作用，对于理解电催化剂的作用并确定其真实活性催化相/位点具有重要意义，这也是合理设计新催化剂和性能更好的电池的先决条件。

　　该团队研究了在工作状态下Li–S电池中金属基预催化剂的原位相演化过程。并借助先进的表征技术揭示电化学循环诱导单晶Co₄N向富含活性位点的多晶CoS_x的原位转变现象（图1）。该演变产物高度适应富含多硫化物的非质子环境，并且在模型实验中表现出对含硫物质转化反应动力学的较高催化活性。该团队利用密度泛函理论计算了在多硫化物刻蚀作用下，Co₄N颗粒表面和体相中不同空位的形成能，验证了多硫化物刻蚀引起的相演化机理。基于广泛的钴基化合物和其他金属元素的进一步计算证明了电化学诱导硫化现象的普适性，并预测了在Li–S电池中使用的大多数金属及其富金属化合物催化剂中，含零价金属原子的化合物将被全部或部分硫化。

图1. 预催化剂的原位电化学相演变的示意图和对应的电子显微图像。富金属化合物作为预催化剂（以Co₄N为例）在工作电池中经历原位“马赛克化”相演变的过程示意图。

　　当Co₄N预催化剂被引入Li–S电池，原位相演化产生的高活性催化剂使得电池在动力学苛刻的条件下（例如10 C倍率和低至4.7 mL mg_S⁻¹的E/S比）仍具有出色的性能。该工作将对Li–S电池以外的电化学和Co₄N以外的催化材料产生广泛影响，包括对原位生成的硫化物的催化活性相研究，通过电化学演化来设计新型电催化剂，以及从含水电化学向质子惰性电化学转变的研究的新的认识与应用。

　　论文详情：

　　Meng Zhao, Hong-Jie Peng, Bo-Quan Li, Xiao Chen, Jin Xie, Xinyan Liu, Qiang Zhang, Jia-Qi Huang*. Electrochemical Phase Evolution of Metal-Based Pre-Catalysts for High-Rate Polysulfide Conversion, Angewandte Chemie International Edtion , doi: 10.1002/anie.202003136.

　　论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202003136

附作者简介：

　　黄佳琦，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师，九三学社社员。主要开展能源界面化学研究。在Angew Chem Int Ed, J Am Chem Soc, Adv Mater, Adv Funct Mater, Sci Bull等期刊发表研究工作100余篇，h因子为68，其中40余篇为ESI高被引论文。入选首届中国科协青年人才托举计划，获评中国化工学会侯德榜化工科技青年奖，中国颗粒学会青年颗粒学奖，国家万人计划青年拔尖人才，2018、2019年科睿唯安高被引科学家等。