硫氧化还原中间体及其相关的固-液-固多相转化机理的多样性和耦合性对设计合适的锂-硫（Li-S）电池电催化剂提出了很大的挑战。
近日，湖南大学梁宵教授报道了设计了一种双金属二维金属有机骨架（2D MOF）催化剂。研究人员进行了液-液转化反应（Li2S8(liquid) ↔ Li2S4(liquid)（LLR））和液-固转化反应（Li2S4(liquid) ↔ Li2S(solid)（LSR））反应的还原动力学、活化能和热力学能等电催化的基础性研究。这种2D MOF具有沿二维片快速的质量/电子传输特性，是催化剂开发的理想材料平台。此外，极高比例的裸露催化活性表面和配位不饱和金属中心也保证了高催化活性。最重要的是，金属中心可以从单金属到双金属进行调控，这对于研究同一结构内不同金属中心之间的催化活性至关重要。
文章要点
1）研究人员从硫氧化还原反应不同步骤的活化能和法拉第电流密度证实了2D MOF对LLR和LSR的催化活性对金属中心的敏感性。研究发现，Ni-MOF在液相区对LLR的催化效果更好，而Co-MOF更有利于Li2S的转化，动力学增强。此外，XANES分析和密度泛函理论(DFT)计算表明，Ni和Co中心对一体化双金属CoNi-MOF具有协同催化活性，这归因于Ni和Co之间通过O桥的电荷再分配，即Co上的电荷积累和Ni上的电荷耗尽。
2）Li-S全电池测试表明，硫含量高达86 wt%的S@CoNi-MOF正极具有优异的循环稳定性（1 C循环500次，低容量衰减率为0.036%/次）和优异的倍率性能。即使在面积硫负载量为4.6 mg cm−2的情况下，80次循环后的可逆容量仍高达900 mAh g−1。
这一双功能策略为实现高能量密度Li-S电池提供了一条很有前途的途径。
参考文献
Ruijin Meng, et al, A Tandem Electrocatalysis of Sulfur Reduction by Bimetal 2D MOFs, Adv. Energy Mater. 2021
DOI: 10.1002/aenm.202102819
https://doi.org/10.1002/aenm.202102819
