昆明理工大学周江奇Carbon Energy：通过植入钛位点的非对称配位石墨烯单原子电催化剂实现宽温度范围锂-硫电池

研究背景

锂硫电池因理论能量密度高达2675 Wh kg^-1、成本低廉且环境友好而备受瞩目。然而，硫物种本征导电性差、多硫化锂（LiPSs）穿梭效应及缓慢的硫氧化还原反应动力学等问题严重制约其实用化进程。更为严峻的是，上述挑战在极端温度下被显著放大：低温环境急剧抑制多硫化物转化动力学，导致比容量骤降与硫利用率不足；高温则加剧多硫化物溶解与穿梭效应，引发容量快速衰减和循环寿命缩短。因此，开发能够同时适应低温和高温环境的全气候锂硫电池，已成为当前储能领域的关键研究课题。

成果介绍

昆明理工大学周江奇等人设计并合成了一种具有非对称Ti₁-O₅配位构型的钛单原子锚定还原氧化石墨烯（Ti-rGO）复合材料，并将其作为高效硫正极宿主催化剂。该材料独特的单原子配位环境可精准调控rGO的电子结构，优化的费米能级显著加速了电荷转移，同时增强了对LiPSs的吸附能与转化动力学；其二维多孔纳米结构则提供了物理屏障以抑制穿梭效应，并构建了开放框架促进硫物种的高效利用。基于Ti-rGO/S正极的锂硫电池在室温下展现出卓越的倍率性能（5C时容量达761 mAh g^-1）与超长循环稳定性（2C下循环1000圈后保持717 mAh g^-1，每圈容量衰减率低至0.018%）。即便在严苛的高硫负载（9.2 mg cm^-2）与贫电解液（E/S = 5.8 μL mg^-1）条件下，仍可获得10.65 mAh cm^-2的高面容量。尤为重要的是，该电池体系在-25°C至70°C的宽温度范围内均能保持稳定的循环性能，充分验证了其在极端环境下的应用潜力。

研究亮点

本研究的核心创新在于精准构筑了非对称Ti₁-O₅单原子配位微环境。球差校正高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）与同步辐射X射线吸收精细结构（XAFS）光谱证实，Ti原子以单原子形式均匀分散于rGO基底上，并与氧原子形成五配位结构。该构型通过调控rGO的电子性质，使其费米能级进入价带，由非金属性转变为金属性导电行为，功函数由4.04 eV提升至4.81 eV，从而显著增强界面电荷传输能力。实验与理论计算一致表明，Ti-rGO对LiPSs的化学吸附能显著优于纯rGO；在硫还原反应中，决速步（Li₂S₂向Li₂S转化）的吉布斯自由能从0.48 eV降至0.31 eV，Li⁺扩散能垒由1.57 eV降至0.75 eV，Li₂S分解能垒由1.47 eV降至0.92 eV，从吸附、转化、离子传输及固液相变多维度实现了反应动力学的全面增强。

图文解析

研究团队通过系统的材料表征与电化学测试揭示了性能提升的内在机制。在材料结构确证方面，化学吸附法成功将钛源锚定于rGO表面，SEM与TEM显示Ti-rGO保持超薄褶皱的二维片层结构；HAADF-STEM图中可见大量对应于Ti单原子的亮斑均匀分布，EDS元素映射进一步证实C、O、Ti元素的均匀分散。XRD与Raman光谱表明Ti引入后材料石墨化程度提升；Ti K-edge XANES与EXAFS拟合结果确认Ti处于+4价态，配位环境为Ti-O₅，小波变换（WT）图则排除了Ti-Ti键的存在，确证了Ti的原子级分散。

研究小结

综上所述，本研究通过构筑非对称Ti₁-O₅配位结构的单原子催化剂，成功实现了对rGO电子结构的精准调控，显著增强了材料对多硫化锂的化学吸附与催化转化能力。Ti-rGO/S正极依托二维多孔骨架的物理限域与单原子位点的化学催化协同机制，在室温高倍率、高负载贫电解液及极端高低温（-25°C至70°C）条件下均展现出优异的电化学性能与结构稳定性。该工作不仅为单原子催化剂在能源存储领域的应用提供了新的设计思路，更为开发面向极端环境应用的温度自适应锂硫电池奠定了重要的材料基础与实验依据。

论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Enabling Wide‐Temperature Range Li‐S Batteries viaAsymmetric‐Coordinated Titanium Sites‐ImplantedGraphene Single‐Atom Electrocatalysts

文章研究方向：

催化剂— —单原子催化剂

论文网址：

DOI: 10.1002/cey2.70181