将硫正极与有效催化剂相结合，加速多硫化物的转化，是克服锂硫（Li-S）电池中多硫化物严重穿梭和转化缓慢的有效途径。然而，由于氧化还原反应动力学的巨大差异和硫的复杂相变，单组分催化剂不能持续促进整个氧化还原过程。

受具有自发内建电场的p-n结促进电荷传输的启发，当应用p-n结作为硫主体时，可以成功地实现负电荷多硫化物的定向迁移。对于选择性催化的特定组分，可以加快S₈→Li₂S₄→Li₂S的连续反应速率，促进有效的分步转化。

基于此，苏州大学张亮教授，中科院福建物构所Dan Sun报道了采用简单回流和煅烧的方法，成功地合成了n型TiO₂点嵌在富缺陷的p型Co₃O₄薄片（p-Co₃O₄/n-TiO₂-HPs）中的原位转化异质结。

文章要点

1）在综合实验和密度泛函理论(DFT)计算的基础上，研究人员得出以下结论。由于其复杂的主体结构和催化性能，Co₃O₄-TiO₂的p-n异质结对不同的硫物种表现出明显不同的催化作用。具有丰富吸附位点的高活性Co₃O₄片保证了S₈的高度分散，精确地诱导了固态S₈向液态Li₂S₄的快速转化，而嵌入的TiO₂点对Li₂S₄具有很强的锚定作用，同时也促进了Li₂S的有效成核和电沉积。而通过p-n结界面内电场的桥接，上述连续转化在不同组分中被逐步催化。此外，LiPSs的定向迁移显著抑制了硫中间体在电解质中的溶解，空间顺序催化保证了活性硫的优越利用。

2）实验结果显示，制备的含p-Co₃O₄/n-TiO₂-HPs硫正极（S@p-Co₃O₄/n-TiO₂-HPs）具有良好的倍率性能和长寿命的LiPSs抑制能力。在10 C循环500次后，初始容量为610 mAh g⁻¹，容量衰减率为0.07%。此外，S@p-Co₃O₄/n-TiO₂-HPs正极的面积容量高达5.5 mAh cm⁻²，当硫负载量增加到5.5 mg cm⁻²时具有较好的稳定性。

本研究证实了内建电场和异质结构在空间上促进多硫化物逐步转化的协同效应，为合理调控多硫化物氧化还原反应提供了对界面结构的新见解。

参考文献

Hongtai Li, et al, Utilizing the Built-in Electric Field of p–n Junctions  to Spatially Propel the Stepwise Polysulfide Conversion  in Lithium–Sulfur Batteries, Adv. Mater. 2021

DOI: 10.1002/adma.202105067

https://doi.org/10.1002/adma.202105067