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新加坡南洋理工大学徐梽川教授团队：关于用于多硫化物转化的尖晶石催化剂的合理设计探讨
近日，新加坡南洋理工大学徐梽川教授团队的AMR Viewpoint文章“A Perspective on the Rational Design of Spinel Catalysts for Polysulfide Conversion”在线发表。文章围绕尖晶石催化剂的合理设计展开讨论，简要分析了影响其多硫化物转化效率的关键参数，包括阳离子配位环境（四面体位与八面体位）、自旋态以及金属-氧（M-O）共价性。
关键词：尖晶石催化剂，催化剂设计，锂硫电池，钠硫电池，多硫化物转化
尽管目前关于M-O（金属-氧）共价性对多硫化物转化效率影响的研究较少，但由于其在调控吸附能力、尖晶石结构内电荷传输、活性位点生成及断键后电子分布等方面的关键作用，M-O 共价性有望成为决定尖晶石氧化物多硫化物转化效率的重要参素。因此，优化 M-O 共价性对于提升尖晶石氧化物的催化性能具有重要意义。
1 文章内容简介
针对锂硫电池和钠硫电池中用于催化多硫化物转化反应的催化剂的研究已受到广泛关注。要实现催化剂的合理设计，需深入理解材料的物理化学性质及相关反应机理。尖晶石催化剂凭借其独特的结构与优异的催化性能，被认为是催化多硫化物转化的理想候选材料。其多样的几何构型与可调控的电子结构，使其成为揭示结构–性能关系、指导催化剂设计的理想材料。本文围绕尖晶石催化剂的合理设计展开讨论，简要分析了影响其多硫化物转化效率的关键参数，包括阳离子配位环境（四面体位与八面体位）、自旋态以及金属-氧（M-O）共价性。在对阳离子配位环境和自旋态的探讨中，本文强调了它们对阳离子电子结构的调控作用，进而影响催化性能。在对 M-O 共价性的分析中，尽管目前关于其对多硫化物转化效率影响的研究仍较少，本文指出其通过调控吸附能力、结构内电荷传输、活性位点生成及断键后的电子分布，有望成为决定尖晶石氧化物催化效率的关键因素。
图1 尖晶石催化剂合理设计中的关键参数
此外，本文还简要回顾了近年来尖晶石催化剂设计策略的研究进展，包括阳离子几何调控、掺杂、自旋态调控、缺陷引入及材料形貌优化。最后，结合本课题组在尖晶石催化剂研究方面的经验，提出了关于其合理设计的进一步研究展望。
2 AMR：您选择该领域的原因是？
作者团队：
锂硫电池和钠硫电池因其高能量密度和低成本的硫正极材料而得到广泛关注，然而其商业化进程仍受限于多硫化物转化动力学缓慢等问题。催化剂的引入可以促进多硫化物高效转化、提升电池性能。因此，围绕锂硫电池和钠硫电池催化剂的合理设计开展研究，具有重要的意义和价值。
3 AMR：您对该领域的发展有何愿景？
作者团队：
未来，希望该领域能够进一步提高催化剂的活性和吸附性能。最终目标是构建高性能、低成本、长寿命且适用于实际应用场景的锂硫和钠硫电池系统，从而在工业领域发挥其巨大潜力。
作者团队简介
新加坡南洋理工大学
材料科学与工程学院
徐梽川，讲席教授
徐梽川，新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院讲席教授，新加坡工程院院士。担任南洋理工大学材料科学与工程学院副院长、能源研究中心能源催化材料中心主任、海洋能源与可持续发展中心主任。曾多次获得科睿唯安全球高被引学者，曾获得土耳其科学院国际学术奖（TÜBA International Academy Awards）、国际电化学学会（ISE）田昭武能源电化学奖、英国皇家化学学会（FRSC）会士。主要研究方向为催化及其相关材料。
新加坡南洋理工大学
能源研究中心
谢雯，博士研究生
谢雯，新加坡南洋理工大学能源研究中心博士研究生，2022年于西北工业大学获得学士学位，主要研究方向为设计与构建高效的锂硫电池催化剂材料。
新加坡南洋理工大学
材料科学与工程学院
吴倩，博士后研究员
吴倩，新加坡南洋理工大学博士后研究员，合作导师为徐梽川教授。2022年于山东大学取得博士学位。以第一作者或共同第一作者在Nat. Commun., Sci. Adv., P. Natl. Acad. Sci. USA和Chem. Soc. Rev.等期刊发表文章17篇，主要研究方向为：通过理论模拟揭示电催化反应的内在机制，并设计用于清洁能源转换的新型高效电催化剂。
扫码阅读徐梽川教授团队的精彩Viewpoint文章：
A Perspective on the Rational Design of Spinel Catalysts for Polysulfide Conversion
Wen Xie, Qian Wu and Zhichuan J. Xu*
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.5c00092
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