【研究背景】鋰硫電池（Li-S）因其理論容量和能量密度的優越性，被視為下一代儲能系統的潛在競爭者。然而，電池大規模商業化仍面臨電導率低、循環穩定性差等技術難題，尤其是硫和硫化鋰的低電導率導致氧化還原動力學緩慢，影響實際容量。電催化劑的高效尋覓是這一領域的重要挑戰。異質結晶體設計能夠引發電荷再分配，建立亞穩電子狀態，為催化劑結構穩定性提供新途徑。通過多組分系統優化，反應位點的吸附和解吸過程得以優化，實現理想的電化學活性。然而，設計的異質晶體往往受限于小面積異質晶界，無法實現全域電子控制，且存在構象和空間差異導致的晶格錯亂問題。因此，優化多組分間的協同效應，最大化電子轉移，控制催化劑表面穩定性，解決界面接觸和電子離域阻力是關鍵。【工作介紹】華東理工大學張亞運副教授與龍東輝教授團隊提出了一種拼圖式催化劑設計策略，通過原位組裝NbN-NbC共格納米異質晶群（CNEs），實現高活性晶面的穩定和相關反應能壘的降低。穩定高活性晶面促進多硫化物聚集，同時優化活性表面晶面，實現鋰離子的硫化物沉積和擴散，協同促進連續高效的硫氧化還原反應，顯著提高電池耐久性和能量密度。應用基于CNEs的軟包裝電池，實現了357 Wh kg?1的高能量密度，研究成果以《Enhanced Electron Delocalization Within Coherent Nano-heterocrystal Ensembles for Optimizing Polysulfide Conversion in High-Energy-Density Li-S Batteries》發表于《Advanced Materials》。趙志強和潘禹錕為共同第一作者。【內容表述】1. 共格納米異質界面的原位構筑和電子離域化采用水熱法、氧化法和三聚氰胺輔助碳化氮化法制備了共格界面的NbN-NbC晶體，HRTEM展示了高密度相干納米異質晶體的形成。SAED和XRD分析揭示了異質晶體的結構，EELS系統顯示了晶格條紋，邊界兩側條紋不對稱排列，兩個基質不間斷連接。電子局域函數分析表明，界面電子密度重排和NbC側d軌道電子的離域分布。XANES和EXAFS光譜進一步闡明了Nb位的局部結構。2. 多硫化物捕獲行為、鋰離子擴散與電化學反應動力學通過可視化吸附試驗、DFT計算、吸附后的XPS測試、濃差擴散測試和自放電測試，揭示了NbN-NbC對多硫化物的強吸附能力，有效抑制穿梭效應。化學鍵合作用捕獲多硫化物，沉積溶解實驗驗證了CNEs電催化劑對硫物種轉化的雙向促進。In-situ Raman和Ex-situ XPS證實了硫氧化還原的可逆性。循環伏安曲線（CV）顯示NbN-NbC修飾的分離器具有增強的峰強度和顯著的陰極/陽極峰正/負位移，證實了更高的催化活性。3. DFT計算揭示催化劑與多硫化物相互作用及催化機制使用DFT計算分析了共格納米異質晶群各晶面的吸附和能壘優勢，NbC-111表現出較強吸附能力，形成可溶性LiPS組成的液滴狀致密相，誘導納米晶體/非晶Li2S的瞬時沉積。S8到Li2S6的轉化在NbN-111和NbN-NbC-111上速率決定步驟的ΔG明顯低于NbC-111。Li2S分解能也顯示NbN-NbC優于純NbN和NbC。鋰離子在各面上的擴散勢壘較低，促進界面層快速擴散，防止鋰離子在表面聚集。4. 基于CNEs修飾隔膜的電池性能使用NbN-NbC隔膜的電池在0.2 C電流密度下展現出1270 mAh g-1的高初始容量，在200次循環后保持898.2 mAh g-1，優于對照樣品。在1 C電流密度下，電池可逆容量達到1023 mAh g-1，1000次循環后容量保留率高達65.2%。5.0 C高倍率下，經過1000次循環容量衰減僅為0.0378%。在硫負荷為4.9 mg cm-2和6.7 mg cm-2的條件下，100次循環后容量保留率分別為89.2%和75.7%。袋狀電池在83.75 mA g-1電流密度下容量超過1300 mAh g-1，計算的重量比能量密度最大值為357 Wh kg-1。【結論】研究提出了一種增強電子離域的CNE催化劑設計策略，實現了高性能Li-S電池的開發。實驗和DFT計算驗證了催化劑對鋰多硫化物轉化和鋰擴散的促進作用。深入研究了催化機理，發現CNE催化劑實現快速反應動力學，有效抑制多硫化物遷移，表現出優異性能。NbN-NbC作為分離改性劑，Li-S袋狀電池實現了高能量密度（>300 Wh kg – 1），并表現出優異的靈活性。這項工作為高性能電催化劑的開發提供了有效策略，為高能量密度儲能系統提供了重要前景。