电动汽车的快速发展对储能技术提出了更高要求，高能量密度与极速充电能力成为关键突破方向。锂硫电池凭借2600 Wh kg⁻¹的理论能量密度、低成本及环境友好性，被视为下一代储能体系的重要候选。然而，多硫化物穿梭效应导致的容量衰减和硫氧化还原反应动力学迟缓，始终制约着其商业化进程。近期，哈尔滨师范大学研究团队通过单原子催化剂创新设计，在锂硫电池性能提升领域取得突破性进展，相关成果分别发表于《先进功能材料》（AFM）和《化学工程杂志》（CEJ）。
针对极端快充条件下Li₂S分解缓慢引发的活性位点钝化问题，研究团队开发了Cu单原子锚定高熵氧化物（Cu-PHEO）催化剂。通过构建界面内置电场，该材料在10C充电（4.5分钟完成）与0.5C放电（90分钟）的严苛条件下，经100次循环后仍保持83.2%的容量。X射线吸收精细结构（XAFS）分析显示，Cu原子以+1.83的平均氧化态通过Cu-O-M键锚定于材料表面，形成配位不饱和活性位点。同步辐射小波变换分析进一步证实，Cu原子呈原子级分散状态，其独特的电子结构显著加速了Li₂S的氧化分解动力学。
对高熵氧化物中Co、Fe、Ni等金属中心的XAFS表征发现，引入Cu单原子后，这些金属的M-O键长系统性增长0.1-0.2 Å。研究团队认为，这种结构变化源于M-O-Cu桥接键形成的电子离域效应，导致原始M1-O-M2对称性被破坏。实验数据表明，Cu锚定引发的电荷密度重排，有效抑制了多硫化物穿梭效应，为极端快充条件下的电池稳定性提供了关键支撑。
在另一项研究中，团队针对传统碳载体单原子催化剂配位环境单一的问题，创新性地开发了Fe掺杂CoP晶格材料（Fe-SACs/CoP）。该设计通过Fe-S配位引入强电负性中心，同时实现Fe高自旋态与Co低自旋态的协同调控。X射线发射光谱（XES）分析显示，Fe在CoP晶格中呈现+2.5价高自旋态，其Kβ'特征峰强度显著增强，表明未配对d电子数量增加，有利于与多硫化物中S原子的p轨道杂化。与此同时，Co中心的Kβ'谱线强度减弱且主峰下移，证明自旋态降低有效抑制了晶格自旋极化。
拉曼光谱测试进一步验证了结构稳定性提升：Fe-SACs/CoP的特征峰半高宽减小且峰形尖锐化，表明晶格刚性显著增强。这种双位点协同催化机制使硫氧化还原反应速率提升3倍以上，在5C倍率下循环200次后容量保持率达89%。研究团队指出，该设计突破了传统单原子催化剂仅依赖单一活性中心的局限，为开发高效稳定锂硫电池催化剂提供了新范式。
两项研究均采用Quantum Design中国引进的easyXAFS台式X射线吸收谱仪完成关键表征。该设备在原子尺度解析催化剂电子结构、自旋特征及配位环境方面表现出色，其高精度数据采集能力为微观机制与宏观性能关联分析提供了可靠实验依据。Quantum Design中国自2004年成立以来，持续引进全球顶尖科学仪器，已为国内物理、化学、材料领域数百家科研机构提供技术支持，助力中国科学家在新能源材料领域取得多项突破性成果。
