近日，我校bevictor伟德官网萬穎教授團隊在Nature子刊《Nature Catalysis》(IF = 40.7)上發表論文 “Optimising the p charge of S in p-block metal sulfides for sulfur reduction electrocatalysis”，揭示了p區金屬硫化物中硫的p電荷密度對硫還原反應活性的調變規律，為锂硫電池催化材料的理性設計和高比能锂硫電池實用化技術開發提供了新思路。上海師範大學為第一署名單位，化五星、尚童鑫、李歡、孫雅飛為論文共同第一作者，上海師範大學萬穎教授、清華大學深圳國際研究生院呂偉副研究員為論文共同通訊作者。
硫還原反應（SRR）涉及多電子轉移，是獲得高比能二次金屬-硫電池的基本反應之一。然而，SRR反應速率緩慢，導緻活性物質利用率低和電池循環可逆性差，同時活性物質硫以多硫中間體的形式溶解于電解液，造成穿梭效應，嚴重制約了金屬-硫電池的發展。構建高效的SRR電催化劑，提高多硫化物反應速率，可有效提高硫活性物質利用率，抑制電池充放電過程中的穿梭效應。因此，硫還原反應的催化反應動力學研究是發展硫基高比能電池的關鍵。然而，基于催化劑電子結構和SRR活性之間的關聯，針對SRR電催化材料逆向按需設計理論和方法的報道相對較少，提出一種實驗可測量的電子結構參數作為描述因子，定量地描述其與催化活性以及電池性能之間的關系，對發展高效催化劑和高比能锂硫電池具有重要意義。
本文提出并通過實驗證實p區金屬硫化物（p-MS）中硫的p電荷密度可用于描述SRR催化劑的活性，将金屬硫化物中硫的p電荷密度與SRR反應決速步（Li2Sn → Li2S/Li2S2）的表觀活化能建立關聯，發現p電荷密度最大的催化劑（Bi2S3）使SRR反應具有最低的表觀活化能和最大的吸附活化熵。結合原位表征分析發現，不同p-MS中，金屬的s(p)軌道與S的2p軌道雜化導緻S電子結構的變化，S的p電子數增量（p電荷密度）最大的Bi2S3面/次表面更易于發生硫原子的連續交換，從而促進連多硫酸鹽中間體的形成，降低SRR反應表觀活化能。通過電極結構優化實現了添加Bi2S3催化劑的锂硫電池在5C下穩定循環500圈，單圈容量衰減率僅0.03%；當硫負載量增加至17.6 mg cm-2時，0.02C下仍具有1246 mAh g-1的高比容量。
該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、上海市教委的資金支持。