单原子催化剂在优化硫的氧化还原反应动力学、抑制锂硫电池的穿梭效应方面展现出优异的催化活性。然而，在锂硫电池体系中，单原子催化剂的研究主要集中于活性金属，较少关注金属原子与载体之间的协同催化作用。实际上，金属-载体相互作用在催化硫氧化还原过程中起着关键作用。 近日，河南大学陈珂教授、化五星教授与戴树玺教授揭示了钴（Co）单原子与石墨相氮化碳（g-C3N4，GCN）载体协同相互作用，能够显著提升硫还原电催化性能。通过理论计算发现Co单原子催化剂与具有本征催化活性的GCN之间存在较强的相互作用力，能够确保催化剂的几何构型和电子结构在催化反应过程中保持相对稳定。构建的Co-GCN共催化剂通过与多硫化锂（LiPSs）形成Co-S键和Li-N键，提高催化活性并降低硫还原（SRR）的活化能，进而提高锂硫电池的电化学性能。
GCN通过与LiPSs形成Li-N键，促进SRR反应，表现出其本征催化活性，然而这种弱的相互作用不足以促进界面电荷转移，无法有效加速LiPSs的转化。将Co单原子负载到GCN上，能够为LiPSs提供更多结合位点，通过形成Li-N和Co-S键共同催化SRR过程，抑制穿梭效应。 通过DFT理论计算证明Co-GCN相互作用可以有效降低SRR决速步的转化能垒，加速LiPSs的转化，抑制穿梭效应。在充电过程中，Co-GCN的共催化作用促进了Li2S的分解，有效避免催化剂表面形成“死硫”，导致催化剂失活。 通过电化学实验证明，GCN可以提高SRR过程中硫的转移电子数，进一步证明了其本征催化硫转化的活性。将Co单原子负载到GCN上，硫转移的电子数、Li2S的沉积量、锂离子扩散系数以及SRR反应决速步的活化能都得到优化，证明催化活性得到显著提升。 最终，在Co-GCN的共催化作用下，锂硫电池表现出优异的倍率性能和循环性能。特别在高硫负载（8.7 mg cm-2）和贫电解液（5 μL mg-1）条件下，实现了13.8 mAh cm-2的高面容量，在0.1C循环200次后仍具有70.5%的容量保持率。这项研究为探索金属-载体共催化作用提升锂硫电池性能提供了新思路。 论文信息 Insights into Co-Catalytic Single-Atom-Support Interactions for Boosting Sulfur Reduction Electrocatalysis Tianqi You, Huiyue Sun, Prof. Wuxing Hua, Shuang Geng, Zhonghao Hu, Yongqi Shang, Qunzhi Huang, Prof. Shuxi Dai, Prof. Ke Chen Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202425144
