通訊作者：李川川，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所；趙明文，山東大學(xué)；陳剛，山東師范大學(xué)

作者：Siyun Qi（齊思云），Chuanchuan Li（李川川），Junru Wang（王君茹），Xiaohan Song（宋曉涵），Mingwen Zhao（趙明文），Gang Chen（陳剛）

自然界中的物質(zhì)，其電子通常圍繞原子核周圍運(yùn)動(dòng)，但有一類特殊的化合物，電子游離于原子核之外，局域在晶格間隙的位置，稱為電子化合物。該化合物中的一部分電子不依托特定的元素，獨(dú)立作為陰離子，因此該材料往往具有極低的功函數(shù)和優(yōu)異的給電子能力。近年來，電子化合物在催化、磁性、超導(dǎo)等領(lǐng)域表現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。那么當(dāng)電子化合物遇到鋰硫電池，會(huì)碰出怎樣的火花？

圖1. 當(dāng)電子化合物“邂逅”鋰硫電池。

近日，山東師范大學(xué)大學(xué)陳剛教授、山東大學(xué)趙明文教授和中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所李川川助理研究員在?JPC Letters?上發(fā)表了表面官能團(tuán)化調(diào)控二維電子化合物陰離子電子應(yīng)用于鋰硫電池的研究（圖1）。本文創(chuàng)新性地采用M?C (M = Sc, Y)二維電子化合物作為研究對象，該電子化合物化學(xué)式為[M?C]2?·2e?，其陰離子電子夾在兩層陽離子之間，形成受限的二維電子氣（圖2）。通過第一性原理計(jì)算，系統(tǒng)的研究了電子化合物在硫正極的作用機(jī)制，并提出表面官能團(tuán)化來調(diào)控電子化合物的活性，同時(shí)揭示了陰離子電子在吸附多硫化鋰和促進(jìn)硫的催化轉(zhuǎn)化過程中所起的關(guān)鍵性作用。這也是電子化合物在鋰硫電池中的首次報(bào)道。

圖2. 電子化合物結(jié)構(gòu)和電子局域函數(shù)。

基于第一性原理計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了電子化合物這類材料在鋰硫電池中的應(yīng)用。研究表明二維電子化合物M?C (M = Sc或Y)由于高表面活性使得硫分子自發(fā)裂解，因此表面官能團(tuán)化處理是非常必要的。四種可能的表面處理（O, S, Cl和F）中只有氯化和氟化的M?C是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。而氟化的電子化合物無論是在對多硫化鋰的吸附能力和硫的催化轉(zhuǎn)化都表現(xiàn)出最為優(yōu)異的性能。同時(shí)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)M?C中過渡金屬不同，也能夠影響電子化合物對硫物種的吸附和催化能力。另外，進(jìn)一步與非電子化合物比較發(fā)現(xiàn)電子化合物中的陰離子電子的存在有利于硫還原反應(yīng)的進(jìn)行，可能是由于多硫化物通過鋰鍵與陰離子電子發(fā)生相互作用。這項(xiàng)工作將推動(dòng)電子化合物在鋰硫電池中的研究。?

相關(guān)論文發(fā)表在?JPC Letters?上，山東師范大學(xué)齊思云博士為文章的第一作者，山東師范大學(xué)大學(xué)陳剛教授、山東大學(xué)趙明文教授和中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所李川川助理研究員為共同通訊作者。

陳剛

山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院教授、博導(dǎo)、泰山學(xué)者海外特聘專家，兼任山東物理學(xué)會(huì)常務(wù)理事、山東物理學(xué)會(huì)計(jì)算物理專業(yè)委員會(huì)負(fù)責(zé)人、中國材料研究會(huì)計(jì)算材料分會(huì)全國委員、亞洲計(jì)算材料學(xué)會(huì)會(huì)員。2002年于中國科學(xué)院獲得理學(xué)博士學(xué)位，先后在中國科學(xué)院固體物理研究所、中國科學(xué)院理論物理研究所、香港中文大學(xué)、香港科技大學(xué)、日本東北大學(xué)金屬材料研究所、美國弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)從事過科學(xué)研究工作。?

趙明文?

山東大學(xué)物理學(xué)院教授，副院長。長期從事凝聚態(tài)理論和材料計(jì)算研究，在低維材料的電子結(jié)構(gòu)和缺陷效應(yīng)等方面取得了多項(xiàng)研究突破，解決了低維材料器件應(yīng)用中的一些基礎(chǔ)問題，提出的理論模型被國內(nèi)外多個(gè)實(shí)驗(yàn)課題組驗(yàn)證，并成功地實(shí)現(xiàn)了器件應(yīng)用，先后承擔(dān)完成了國家973、國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃、重點(diǎn)項(xiàng)目和面上項(xiàng)目等課題，形成了且具有一定特色和影響力研究方向。累計(jì)在Physical Review Letters, Advanced Materials 和Nano Letters 等著名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI 論文 360余篇，被SCI引用10000余次 （h-index=54）, 2014-2021年連續(xù)8年入選“中國高被引學(xué)者（物理天文類）”。入選國務(wù)院政府特殊津貼專家、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃, 山東省“泰山學(xué)者”特聘教授、山東省有突出貢獻(xiàn)中青年專家、山東大學(xué)特聘教授，2003年獲教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（第三完成人），2010年獲教育部高等學(xué)校優(yōu)秀科研成果自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（第一完成人），2017年獲山東省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（第一完成人），2018年獲得“寶鋼”的優(yōu)秀教師獎(jiǎng)。?

李川川?

中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所助理研究員，于2014年和2019年在山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院分別獲得學(xué)士和博士學(xué)位，師從徐立強(qiáng)教授。2019年加入中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所崔光磊研究員課題組，從事博士后研究。主要從事高比能鋰硫電池和低成本鈉鉀電池的研究，包括電極材料和電解液及其界面等。在能源、材料和化學(xué)等方面的國際權(quán)威雜志如Adv. Energy Mater.、Nano Today、Energy Storage Mater.、Chem. Mater.和J. Phys. Chem. Lett.等發(fā)表文章20余篇，作為負(fù)責(zé)人主持國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目等。