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鋰硫電池具有高的理論比容量(1675mAh/g )和比能量(2600Wh/kg )，且正極硫具有儲量豐富、價格低廉、環(huán)境友好、生物相容性高、毒性低等優(yōu)勢，已成為了目前極具應(yīng)用潛力的儲能器件之一。而要實現(xiàn)此類材料真正大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，在硫正極的研究方面仍然存在諸多重要的基礎(chǔ)科學(xué)問題亟待突破：如：多硫化物聚集、穿梭現(xiàn)象嚴重，而現(xiàn)有催化劑對其轉(zhuǎn)化效率有限；目前報道的大多數(shù)硫轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以準確揭示構(gòu)效關(guān)系；從S8到Li2S的轉(zhuǎn)化涉及16電子復(fù)雜歷程，硫轉(zhuǎn)化機制尚不清晰等。

近期，溫州大學(xué)楊植教授課題組由血紅素作為諸多天然酶的活性中心受到啟發(fā)，結(jié)合仿生催化的設(shè)計理念，設(shè)計開發(fā)出了基于羧基功能化碳納米管固定的血紅素人工模擬酶，用于高效促進硫轉(zhuǎn)化，以提升電池性能，取得巨大的進展。相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的材料類著名雜志Advanced Functional Materials（2020, DOI:10.1002/adfm.202003354, IF=15.6), 溫州大學(xué)為唯一通訊作者單位，通訊作者楊植教授，第一作者為溫州大學(xué)碩士研究生丁欣慰同學(xué)和青年教師楊碩博士。

Figure 1. Schematic configuration of a Li–S battery based on three CNTs-FG@hemin cathodes (FG= NH2, OH, COOH), and the mechanism of polysulfides adsorption at the CNTs-COOH@hemin cathode.

該項工作通過將仿生分子氯化血紅素(hemin)共價修飾到羧基化的碳納米管上，合成了一種高效的仿生催化劑(CNTs-COOH@hemin) 來加速對多硫化鋰轉(zhuǎn)化。系列原位光譜(紅外、拉曼、紫外)的研究以及DFT計算表明：CNTs-COOH@hemin 中Fe-O鍵的Fe(III)原子可以作為有效的位點來錨定多硫化鋰，同時促進長鏈多硫化鋰轉(zhuǎn)化為 S32-(或S3*-)，顯著抑制了穿梭效應(yīng)。引入了這種仿生催化劑的陰極展示了1637 mAh g-1的初始容量和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

Figure 2. The schematic diagrams to show the adsorption and conversion mechanisms of LiPSs at the surface of (g) CNTs-S/Gh/FePc+OFN cathode, (h) CNTs-S/Gh/FePc cathode, (i) CNTs-S/Gh/OFN cathode, respectively. The yellow and green balls represent S and Li atoms, respectively.

在此基礎(chǔ)上，課題組還依據(jù)鋰硫電池的硫轉(zhuǎn)化過程中，需要經(jīng)歷多步連串反應(yīng)，以及固-液-固多相轉(zhuǎn)化的特點，提出設(shè)計并開發(fā)了基于酞菁鐵(FePc)和八氟萘(OFN)功能化石墨烯，作為雙控催化硫轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，以提高對多硫化鋰的錨定和轉(zhuǎn)化。系列原位光譜、 XPS及 DFT 計算表明: FePc可以通過Fe???S 配位鍵來錨定多硫化物，同時有效的剪切長鏈多硫化鋰；OFN 可以通過鋰鍵的作用結(jié)合多硫化鋰，促進短鏈多硫化鋰的轉(zhuǎn)化。這種仿生雙控催化劑(Gh/FePc+OFN)的引入不僅可以雙重錨定多硫化鋰，而且在硫的轉(zhuǎn)化過程中可以有效地促進多步催化，顯著提高對多硫化鋰轉(zhuǎn)化的動力學(xué)。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在近期的化學(xué)、材料類著名雜志ACS Nano（2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c03403, IF=13.9),溫州大學(xué)為唯一通訊作者單位，通訊作者楊植教授，第一作者為溫州大學(xué)碩士生周蘇雅同學(xué)和青年教師楊碩博士。

據(jù)悉，楊植教授是浙江省杰出青年基金獲得者、浙江省萬人計劃青年拔尖人才、浙江省碳材料技術(shù)研究重點實驗室主任，也是國內(nèi)材料研究領(lǐng)域頗具影響力的青年學(xué)者。他所領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊長期致力于微納結(jié)構(gòu)碳材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能調(diào)控及在鋰硫電池、燃料電池、電催化等領(lǐng)域基礎(chǔ)及應(yīng)用研究。在鋰硫電池、燃料電池、電催化等研究領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果。他在Adv. Mater. 、Nat. Commun.、Angew.Chemie.、ACS Nano等國際頂級期刊發(fā)表SCI論文80余篇，它引5800次，H因子38，通訊作者單篇最高引用1600次，申請發(fā)明專利20余項，主持國家自然科學(xué)基金（5項）、浙江省“杰青”等課題，獲“省萬人”、溫州市科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才等計劃支持，獲教育部高校自然科學(xué)二等獎（排名第三）、溫州市科技進步二等獎（排名第二）。