我校李洪森教授课题组在Angew. Chem.和ACS Nano发表学术成果

新闻网讯 近日，物理科学学院李洪森教授课题组在研究自旋极化调控催化铝硫电池反应机理和磁场调节铁单原子催化剂自旋态在水系锌硫电池应用取得重要研究进展。相关原创性研究成果以“High-Performance Al-S Batteries by Spin Polarization Modulation via Catalytic Ni-MoS₂Nanosheets”和“Spin State Modulation via Magnetic Fields in Fe Single Atom Catalysts for High-Performance Aqueous Zinc-Sulfur Batteries”为题分别在国际顶级学术期刊Angewandte Chemie International Edition和ACS Nano在线发表。硕士研究生刘晓亚和戴鹏浩分别为两篇论文的第一作者，李洪森教授为通讯作者，青岛大学为第一通讯单位。这是研究团队在界面电荷储能机制与应用方向发表多篇重要学术成果（PNAS, 2024, 121, e2320030121;Nature Communications, 2024, 15, 3778）之后取得的又一重要进展。

可充电铝硫电池成本低，且具有高质量能量密度（1392 Wh kg^-1）和高体积能量密度（3177 Wh L^-1），自报道以来一直受到广泛关注。然而，充放电产物S₈和Al₂S₃的导电性差且转化反应过程中动力学迟缓等问题的存在使得电池的电压滞后大、可逆性差和循环寿命短差。目前，人们通过开发具有吸附和催化功能的催化剂提升了铝硫电池的性能。事实上，电子结构对催化剂的吸附能力和催化活性起着至关重要的作用，自旋态构型是描述催化剂的电子结构和能级的催化剂的固有性质。研究团队以镍掺杂的单层二硫化钼为研究对象，探究在铝硫电池中的催化机理。结合多种结构表征和电化学测试，揭示了具有自旋极化电子结构的镍掺杂的单层二硫化钼催化剂对多硫化物转化的催化机制，并且证明了自旋极化电子的来源。

水系锌硫电池因其高能量密度、原材料丰富以及安全性，近年来被广泛视为下一代低成本储能器件的重要候选体系。研究团队围绕水系锌硫电池中磁场对于铁单原子催化剂自旋态的调节展开深入研究，提出了双催化（Fe/I^-）和磁场调控相结合的双重策略。研究团队分别采用I^-促进ZnS的氧化过程和用Fe-SAs促进S₈的还原过程，优化了水系Zn-S电池的组装策略。通过磁场诱导铁活性位点的自旋态调控进一步提高了Fe-SAs的催化性能，通过调控催化剂的自旋态，实现了对硫还原反应路径的精准调控。研究表明，磁场作用下Fe-SAs的自旋态从低自旋向高自旋转变，有效提高了铁单原子催化剂的电子转移能力，进一步促进了硫正极的还原动力学，显著提升了锌硫电池的电化学性能，为新型高催化活性电催化剂提供了新的设计思路。