鈉硫電池因其理論能量密度高（1274 Wh kg^?1）以及鈉和硫元素儲量豐富等優(yōu)點，受到廣泛關(guān)注。近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強磁場中心王輝研究員、鄭方才研究員在鈉硫電池主族金屬催化劑性能研究中取得突破。他們提出了軸向N配體調(diào)控鈣（Ca）單原子位點電荷局域化策略，提升了鈉硫電池的反應(yīng)性能。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際期刊《自然通訊》（Nature Communications）上。

傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，主族金屬因其具有離域的s/p帶電子結(jié)構(gòu)，對鈉硫電池反應(yīng)缺乏催化活性。因此，調(diào)控主族金屬位點的配位環(huán)境是獲得高活性鈉硫電池催化劑的關(guān)鍵。

針對這一科學(xué)問題，研究團隊采用氨氣熱處理策略，成功制備出高活性Ca單原子催化劑。該策略通過向平面Ca?O?C單原子結(jié)構(gòu)中引入軸向的N配位原子，調(diào)控了Ca單原子位點的p軌道電子結(jié)構(gòu)，增強了Ca單原子與硫物種之間的p-p軌道雜化相互作用，揭示了Ca單原子對多硫化鈉吸附?催化增強機制。基于該催化劑的鈉硫電池展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能：在0.2 C的電流密度下循環(huán)100次后，電池容量仍依然保持1211 mAh g^?1，并表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

該研究不僅為鈉硫電池主族單原子催化劑的設(shè)計提供了新思路，也有力證明了單原子配位環(huán)境調(diào)控在增強主族金屬催化活性中的關(guān)鍵作用?。該項研究獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金項目、安徽省自然科學(xué)基金項目、合肥物質(zhì)院院長基金拔尖培育計劃、中國科學(xué)院合肥科學(xué)中心協(xié)同創(chuàng)新項目、強磁場安徽省實驗室等的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59437-3

圖1. Ca單原子催化劑的合成示意圖、結(jié)構(gòu)表征及鈉硫電池反應(yīng)機理圖。