锂硫电池中的硫还原反应（SRR）涉及复杂的16电子转换过程，目前对其基本动力学的研究仍然不够深入。近日，加州大学洛杉矶分校段镶锋教授，Philippe Sautet，黄昱教授报道了对电催化SRR动力学的系统研究。为了阐明各种杂原子掺杂的多孔石墨烯骨架（HGF）电催化剂的催化性能及其对电池性能的影响，作者通过系统探讨还原动力学、活化能和还原机理，开展了基础电催化研究。

文章要点

1）通过直接测定多步SRR中的活化能，研究人员确定了每一步的转化动力学是如何不同的，并揭示了由于S₈环分子的低活化能（E_a），S₈环分子最初被还原为可溶性多硫化物（PSs）相对容易，而随后PSs转化为不溶性Li₂S₂/Li₂S则因为其较高的E_a而变得更加困难。

2）研究人员使用杂原子掺杂的HGF作为模型催化体系来电催化调节SRR动力学，以加速PS的转化过程，并阻止PS的穿梭效应。在这个由氮硫双掺杂HGF（N,S-HGF）和未掺杂或单掺杂HGF组成的体系中，N,S-HGF表现出优异的SRR催化活性，并显著改善了动力学，包括较高的交换电流密度(J₀)、较大的电子转移数、较低的界面电荷转移电阻和较低的表观活化能。

3）密度泛函理论（DFT）计算结果表明，杂原子附近的边缘碳原子作为SRR的催化中心，氮和硫的双掺杂调节活性碳原子的p带中心，以实现最佳的LiS自由基吸附，以及最小化过电位。

优异的SRR电催化性能极大促进了N，S-HGF电极的倍率性能和循环稳定性，这表明电催化方法是解决Li-S电池面临的根本挑战的一种极有效的策略。

Peng, L., Wei, Z., Wan, C. et al. A fundamental look at electrocatalytic sulfur reduction reaction. Nat Catal (2020).

DOI：10.1038/s41929-020-0498-x

https://doi.org/10.1038/s41929-020-0498-x