乔世璋院士，最新JACS！

摘要：成果简介由于多硫化钠的高溶解度和由此产生的穿梭效应，钠-硫（Na-S）电池面临着巨大的挑战，这会损害循环的稳定性和效率。基于此，

成果简介 由于多硫化钠的高溶解度和由此产生的穿梭效应，钠-硫（Na-S）电池面临着巨大的挑战，这会损害循环的稳定性和效率。基于此， 澳大利亚阿德莱德大学乔世璋院士（通讯作者）等人 报道了硫氧化还原的Cu(111)面选择性反应活性，该活性促进了稳定中间体NaCu 5 S 3 的形成，从而实现了高效的硫转化、快速的离子传输和完全的固-固反应途径。该系统实现了卓越的性能，在电流密度为0.5 A g -1 的比容量，在5 A g的高电流密度下，在醚基电解质中提供463 mAh g -1 的容量，代表了硫含量≥60 wt%的正极的最高倍率容量。

通过与Cu(100)、Cu(110)和铝衬底对比，突出了Cu(111)的独特反应性。密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示了Cu和多硫化钠之间的结构和电子相互作用，阐明了面依赖机制。本工作确立了面工程作为一种有前途的方法来调节硫氧化还原途径和提高金属-硫电池的电化学可逆性。

相关工作以《Cu-Facet Selective Sulfur Chemistry for Ultrastable Sodium-Sulfur Batteries》为题发表在2025年4月20日的《Journal of the American Chemical Society》上。

乔世璋 ，澳大利亚科学院院士，阿德莱德大学化工与材料学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心（Centre for Materials in Energy and Catalysis）主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电池、电催化、光催化等。已获得多项重要奖励与荣誉，包括2021年南澳年度科学家奖、2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖（DORA）。

图文解读

铜（Cu）具有面心立方（FCC）结构，有三个主要晶体面：（110）、（100）和（111）。在双电极设置下，使用简易电解沉积方法制备了（110）、（100）和（111）主导表面的Cu箔。X射线衍射图证实合成的Cu箔具有（110）、（100）和（111）的主要晶体平面，而不是市售Cu箔的随机取向晶体平面。Cu(110)为矩形，Cu(100)为立方，Cu(111)为六边形。

图1. Na-S电池中Cu的晶面选择性

含Cu(110)、Cu(100)、Cu(111)、市售Cu箔和铝（Al）的硫正极分别记为S(Cu110)、S(Cu100)、S(Cu111)、S(Cu)和S(Al)。S(Cu111)正极具有较高的可逆容量和稳定的循环性能，表明硫转化效率高，氧化还原反应可靠。而S(Cu110)和S(Cu100)无法获得适当的电荷，可能是由于电极表面的不良副反应。Cu(111)在硫正极中的优异性能凸显了其在提高Na-S电池性能中的关键作用，突出了Cu晶体学在优化电极行为和提高Na-S电池整体性能方面的重要性。

图2. Cu晶面与硫物种相互作用演化的原位观察

图3. Cu(111)的面选择性反应性

S(Cu111)电极具有优异的循环稳定性，在电流密度为0.5 A g −1 的高比容量，而S(Al)电极在第一次循环后几乎失去了所有的容量。即使在5 A g−1的高电流密度下，其也能提供463 mAh g -1 的高比容量，显著优于先前报道的硫正极的动力学促进剂，如MoS 2 和功能化碳。此外，作者还组装了一个带有普鲁士蓝中极的全电池配对S(Cu111)，实现了737 mAh g -1 的高容量和平均放电电压为~1.3 V。值得注意的是，S(Cu111)在镁离子电池中也显示出潜力，提供808 mAh g -1 的容量。结果表明，Cu(111)在提高多种电池化学成分的硫转化效率和循环稳定性方面的有效性。

图4. S(Cu111)的电化学性能

S(Al)在1 M NaPF 6 /DME电解液中，放电过程时，在约1.8 V和1.1 V处出现两个明显的平台，对应于可溶性多硫化物逐步转化为固体Na 2 S 2 ，随后转化为Na 2 S。S(Cu111)实现了高度可逆和高效的充放电过程，放电后，最初形成的多硫化物与Cu(111)发生化学作用，形成稳定的固相NaCu 5 S 3 。这种相互作用将氧化还原途径从传统的液-固转变为完全的固-固转化，有效地抑制了醚基电解质中的穿梭效应。经几何优化后，Na 2 S 6 的末端硫原子优先结合Cu(100)和Cu(110)表面。在Cu(111)上，钠原子结合到表面结构中，证实了含钠化合物的形成。原位电化学阻抗谱显示，当S(Cu111)电极从开路电压（OCV）放电到0.8 V时，电荷转移电阻（ R ct ）持续下降，表明电荷转移动力学的改善。此外，在锂-硫电池中的初步测试表明，Cu(111)同样抑制了长链锂多硫化物的形成，消除了特征性的高压放电平台。