转载自【能源学人，https://mp.weixin.qq.com/s/T6d9chgkNUopiZNcUWSSIw】，
原题目：金属单原子的吸附与催化作用助力提升锂硫电池性能
【研究背景】
具有高能量密度（2600 Wh/Kg）且硫兼具储量丰富、价格低廉、环境友好等优点的锂硫（Li-S）电池成为下一代关键储能器件之一。然而，硫本身导电性低，充放电过程中中间体多硫化锂（LiPSs）严重的“穿梭效应”、大的体积效应及缓慢电极动力学反应等严重制约了其商业化应用进程。因此，开发新型Li-S电池正极材料，在提高导电性的同时，有效抑制LiPSs穿梭并提高电极动力学反应，是实现高性能Li-S电池的有效途径。
【工作介绍】
近日，“先进结构功能一体化材料与绿色制造技术”工信部重点实验室、哈尔滨工业大学特种陶瓷研究所设计制备了一种氮氧协同单原子锰负载的中空多孔碳球作为Li-S电池正极载体材料。、为硫载体材料，中空及多孔的碳骨架结构不仅可以均匀分散和存储活性物质，缓解充放电过程中大的体积效应，其表面存在的氮氧协同下原子态锰可以在不破坏完整碳导电网络通道基础上，通过强的路易斯酸碱作用有效吸附反应中间产物LiPSs，并能加快电极反应动力学。电性能测试结果显示该复合电极在1 C下，经1000次循环后容量的衰减率仅为每次0.05%。上述成果以“O-, N-Coordinated single Mn atoms accelerating polysulfides transformation in lithium-sulfur batteries”为题发表在国际期刊Energy Storage Materials上。博士生刘亚南为第一作者。
【内容表述】
在本文中，选用价格低廉、储量丰富且无毒的锰作为催化单原子，与有机配体配位制备出金属有机框架MOFs材料作为前驱材料，在适当的热处理及刻蚀剂和掺氮剂处理制备出具有氮氧协同作用单原子锰均匀负载的中空多空碳球(Mn/C-(N, O))。TEM表明Mn/C-(N, O)材料为纳米片组成，球差校正的HAADF-STEM图证明锰在碳网络结构中以原子级分散状态，同时元素分布图也表明碳、氧、氮、锰元素在Mn/C-(N, O)中均匀分布。相应的XANES及拟合EXAFS曲线进一步证实Mn/C-(N, O)材料中Mn原子态存在及和氮氧配位环境。
图1. Mn/C-(N, O)材料的结构及形貌表征：Mn/C-(N, O)的TEM图片 (a-b)，Mn/C-(N, O)的球差矫正高分辨透射电镜图片（c Mn/C-(N, O) 的高分辨透射电镜图片（d)，Mn/C-(N, O)中元素分布图图（e-h)，Mn/C-(N, O)的XANES光谱 (i) 及拟合FT-EXAFS光谱(j)。标尺：200 nm (a); 20 nm (b); 2 nm (c); 500 nm (d).
材料催化多硫化锂快速转化是实现长循环的关键。对称电池CV曲线可以看出，Mn/C-(N, O)电极的CV曲线表现出更大的响应电流，表明N，O协同下Mn原子可以促进多硫化锂的可逆转化。从Li2S成核曲线可以发现，Mn/C-(N, O)材料表现出更早且更大的成核峰电流，表明N，O协同下Mn原子可以促进多硫化锂的液-固相转变过程。以上结果表明，Mn/C-(N, O)材料对Li-S电池的多硫化锂转化过程具有显著的催化加速过程。其在1C下，循环1000次后容量保持每次0.05%衰减，表现出较好的电化学循环稳定性。
图2.Mn/C-(N, O)材料的催化性能分析：(a) 对称电池的CV曲线，（b）Mn/C-(N, O)材料、（c）Mn/C材料及（d）C材料的Li2S成核曲线。S@Mn/C-(N, O)电极在1C下长循环性能 (e)。
多硫化锂吸附能力也是衡量载体材料性能的关键指标。由第一性原理计算可以发现，Mn/C-(N, O)材料对多硫化锂具有较好的吸附能力，通过其吸附性实验验证，Mn/C-(N, O)材料吸附Li2S6后颜色变化最明显，且其紫外光谱测试进一步表明Mn/C-(N, O)材料对Li2S6具有较强的吸附性能，以上结果表明氮氧协同下锰原子可以有效吸附多硫化锂，有效抑制穿梭效应。
图3. (a)多硫化锂在MnN1O3上吸附能及拟合路径图。(b)不同材料在加入Li2S6溶液中后的照片及紫外可见光谱。
【结论】
本工作首次将氮氧协同Mn单原子应用于Li-S电池正极材料中，探究了Mn/C-(N, O)材料中氮氧协同下单原子锰对多硫化物穿梭效应的抑制机理。这项工作加深了人们对单原子催化剂与多硫化锂作用关系之间的理解，为今后更好地设计Li-S电池载体材料提供了思路。
Yanan Liu, Zengyan Wei*, Bo Zhong*, Huatao Wang, Long Xia, Tao Zhang, Xiaoming Duan, Dechang Jia, Yu Zhou, Xiaoxiao Huang*, O-, N-Coordinated single Mn atoms accelerating polysulfides transformation in lithium-sulfur batteries.Energy Storage Materials2020, DOI:10.1016/j.ensm.2020.11.011
