不理想的穿梭行為、緩慢的液固轉化氧化還原動力學以及硫化鋰分解的巨大能量障礙一直是阻礙鋰硫電池實際應用的公認問題。

圖1 集成電催化劑設計

華東理工大學凌立成、王際童、張亞運等受生物酶固氮/固硫過程中Fe/V中心催化活性的啟發，設計了一種集成電催化劑，該催化劑由N橋接的Fe-V雙原子活性位點（Fe/V-N₇）組成，分散在巧妙的”3D in 2D”碳納米片（簡稱DAC）上，其中釩誘導層狀結構并同時調節活性中心的配位構型，實現了鐵中心3d軌道電子的重新分配。

研究顯示，Fe/V 3d電子和S 2p電子之間的高度耦合/結合顯示出DAC-Li₂S_n（1≤n≤8）體系的強親和力和更強的反應活性。

圖2 對多硫化物的吸附和催化

因此，DAC對多硫化物具有更強的化學吸附能力，并顯著提高了雙向硫氧化還原反應動力學，這些在理論和實驗中得到證實。

此外，DAC精心設計的”3D in 2D”形態可實現均勻的硫分布，促進電子轉移，并使大量活性位點暴露出來。因此，在高硫含量（70 wt %）條件下，組裝的Li-S電池具有出色的循環穩定性（1 C條件下循環1000次后為637.3 mAh g^-1）和高倍率性能（4 C條件下為711 mAh g^-1）。

圖3 鋰硫電池的電化學性能

Vanadium as Auxiliary for Fe–V Dual-Atom Electrocatalyst in Lithium–Sulfur Batteries: “3D in 2D” Morphology Inducer and Coordination Structure Regulator. ACS Nano 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c05483