异核双原子协同效应增强锂硫电池催化与吸附性能的机制研究

为解决锂硫电池(Li-S)中多硫化锂(LiPSs)的穿梭效应和低转化效率问题，研究人员通过第一性原理计算，设计并研究了锚定在单层C2N上的异核过渡金属双原子催化剂(M1M2@C2N)。结果表明，FeCo@C2N能将硫还原反应(SRR)的吉布斯自由能降至1.16 eV，显著提升催化活性，为高性能Li-S电池的异核双原子催化剂设计提供了理论指导。

　　

锂硫电池(Li-S)因其高达2600 Wh·kg^?1的理论能量密度被视为下一代储能器件，但多硫化锂(LiPSs)的穿梭效应和缓慢的硫还原反应(SRR)动力学严重制约其商业化进程。传统均相催化剂难以兼顾强吸附与高效催化，而异核双原子催化剂(DACs)通过金属间协同效应展现出独特优势。

山东某研究团队通过密度泛函理论(DFT)计算，系统研究了七种锚定在单层C₂N上的异核过渡金属双原子体系(M₁M₂@C₂N)。采用VASP软件包进行几何优化与电子结构分析，结合d-p能带中心理论阐明协同机制，并通过吉布斯自由能计算评估SRR催化活性。

结构稳定性与电子特性
单层C₂N的天然孔洞结构(晶格参数8.33 ?)为金属二聚体提供锚定位点。FeCo@C₂N中金属-载体相互作用能达?7.8 eV，高温分子动力学模拟证实其稳定性。

吸附与催化性能
FeCo@C₂N对LiPSs的吸附能(?4.3至?6.2 eV)显著高于均相体系，其d-p能带中心差(0.76 eV)最小，促进电荷转移。SRR决速步能垒降至1.16 eV，Li₂S分解能垒仅0.78 eV。

协同机制
异核双原子通过d-d轨道耦合产生电子再分配，Fe的3d轨道与Co的3d轨道在费米能级附近形成杂化态，优化LiPSs的吸附构型。

该研究发表于《Applied Surface Science》，首次揭示异核双原子催化剂在Li-S电池中的协同增强机制。FeCo@C₂N兼具强吸附(?6.2 eV)与低能垒(0.78 eV)特性，为设计高效DACs提供新思路，推动高能量密度电池发展。