與傳統催化劑相比，單原子催化劑(SACs)在促進鋰硫電池（LSBs）中可溶性鋰多硫化物(LiPSs)的反應動力學和抑制其穿梭效應方面表現出優勢。然而，它們受限于單原子金屬位點的有限比率。金屬有機框架(MOFs)在調節催化單原子位點和通過模塊化設計操縱與客體分子的軌道雜交方面具有巨大的潛力。

在此，廣東工業大學黃少銘教授和張琪副教授團隊合成了一系列具有合理設計的M-N₄（M= Fe³⁺，Co²⁺, Ni²⁺和Cu²⁺）單原子金屬位點的卟啉基MOF納米片（PCN-222（M）-NSs）來操縱M-N₄ 中心和 LiPS之間的d-p軌道雜化。

通過系統的原位/非原位電化學實驗和理論計算表明，PCN-222(Cu)-NS的Cu- N₄中心對促進LiPSs轉化和抑制穿梭效應的效果最好，因為Cu-N4與硫物種之間存在最有效的d-p軌道雜化。結果顯示，添加了PCN-222(Cu)-NS/石墨烯中間層的LSBs在低和高硫負荷時，放電容量顯著提高，衰減率顯著降低。

圖1. PCN-222 (M)-NS的作用機制

總之，該工作通過設計具有不同M-N₄單原子位置的配合物，即PCN-222 (M)-NS (M)Fe³⁺,Co²⁺,Ni²⁺和Cu²⁺)，用于調控硫物種的d-p軌道雜化，進而調節SRR的氧化還原反應動力學，緩解LSB中LiPS的穿梭效應。電化學實驗和理論計算表明，PCN-222(Cu)-NS通過Cu-N₄位點與LiPS的有效d-p軌道雜化，在弱化S-S鍵和加速SRR過程中表現出最佳效果。

PCN-222(Cu)-NS使LSB具有較高的放電容量和良好的長期循環穩定性，使LSB在1C時的性能比純PP隔膜提高274%。因此，該項工作提供了一個非常有效的策略來構建基于MOF的單原子催化劑應用于高性能的LSBs。

圖2. 電池性能

Manipulating Orbital Hybridization of Single-Atom Catalytic Sites in Metal-Organic Framework for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries, Nano Energy 2023 DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108813