随着新能源汽车和储能产业的快速发展，对高能量密度存储设备的需求稳步增长[1], [2], [3]。在众多新兴电池技术中，锂硫（Li?S）电池由于其高理论比容量（约2600 Wh kg?1）而备受关注，被视为下一代储能系统的有力候选者[4], [5], [6], [7]。然而，若干挑战阻碍了其实际应用。
在Li?S电池中，单质硫作为正极材料，通过氧化还原反应提供高比容量（1675 mAh g?1）和高能量密度。然而，硫的缓慢氧化还原动力学导致严重的极化，使得放电容量较低，倍率性能较差。此外，中间态锂多硫化物（LiPSs）的穿梭效应显著降低了电池性能，限制了Li?S电池的长期循环稳定性[8], [9], [10]。
研究人员已探索了各种硫正极宿主材料以解决这些问题。最近，将电催化剂引入宿主结构已成为一种促进硫氧化还原动力学和缓解多硫化物穿梭效应的有效方法。已报道的电催化剂包括金属氧化物、氮化物、硫化物和金属单原子[11], [12], [13]。其中，单原子催化剂因其独特的电子结构、高原子利用率和优异的催化活性而备受关注，有助于增强多硫化物的吸附并加速Li?S电池中的氧化还原动力学[14], [15]。
硫正极的充放电过程遵循可逆氧化还原机理，涉及Li2S的形成和分解。传统的单原子催化剂通常仅促进氧化或还原过程。引入第二种金属中心形成双金属单原子催化剂，可通过协同效应同时增强氧化和还原过程[16], [17]。例如，Sun等人[18]开发了负载于空心碳球上的Fe?Co双金属单原子催化剂，实现了高效的多硫化物转化和Li2S分解。类似地，Song等人[19]将Fe?Co双金属单原子催化剂引入三维十二面体ZIF-8衍生材料中，通过Fe和Co原子的协同催化有效抑制了穿梭效应。Wang等人[20]将铁-钴双单原子催化剂应用于隔膜改性，通过自旋态调控和筛分效应的耦合策略，为硫物种的吸附、迁移和转化创造了高效通道。Lin等人[17]通过镍-钴原子对改变局部电子结构，优化了Ni/Co-DAC的配位构型，从而产生了一种促进硫相互转化并引导锂沉积/剥离的耦合效应。
与上述研究不同，虽然双金属单原子催化剂已被广泛研究，但各个金属中心在复杂多步硫氧化还原过程中的具体"分工"——特别是液-固成核和固-液分解步骤——仍很大程度上未被探索。本研究明确阐明了Ni和Co在双向催化中的不同作用：Ni促进还原过程（Li2S成核），而Co促进氧化过程（Li2S分解）。这种精确的功能划分已通过全面的电化学测量和密度泛函理论（DFT）计算双重验证，在以往文献中尚未被系统阐明。
在本研究中，我们采用两步溶剂浸渍法合成了负载于氮掺杂碳空心球上的Ni?Co双金属单原子催化剂（Ni/Co-NC）。当用作Li?S电池的正极宿主材料时，空心碳球提供更大的空腔，在缓解硫正极体积膨胀问题的同时，最大限度地利用了Ni?Co双金属单原子。电化学分析证实了Ni?Co的协同效应，其中Ni原子促进硫还原过程中的Li2S成核，Co原子加速氧化过程中的Li2S分解，从而显著提高了硫正极的氧化还原动力学。此外，吸附实验和理论计算表明，Ni/Co-NC表现出优异的多硫化物吸附能力，有效抑制了Li?S电池中的穿梭效应。因此，S@Ni/Co-NC正极展现出优异的电化学性能，初始容量为1267.1 mAh g?1，在2C倍率下循环100次后保持795.1 mAh g?1，并展现出突出的倍率性能，在10C倍率下容量为674.4 mAh g?1。这些结果表明，双金属单原子催化剂在开发高性能Li?S电池方面具有重要的实用潜力。
