近日，华南师范大学工学部电子科学与工程学院（微电子学院）陈和冬特聘研究员在拓扑绝缘体异质结材料促进硫的氧还原反应动力学机制方面取得重要进展。相关成果以“Topological Insulator Heterojunction with Electric Dipole Domain to Boost Polysulfide Conversion in Lithium‐Sulfur Batteries”为题发表在国际知名学术期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。我院特聘研究员陈和冬、硕士研究生邱业程、中国科学技术大学博士研究生蔡志远为论文共同第一作者，香港理工大学博士后梁文浩和张晓教授、合肥通用机械研究院有限公司何礼青博士、温州大学李林教授为论文共同通讯作者，参与该工作的还有我院侯贤华教授和陈福明教授等，华南师范大学为第一完成单位。

图1. 论文首页信息

近年来，异质结材料被认为是推动先进锂硫（Li-S）电池发展的最具前景的电催化剂候选材料之一，然而异质结材料促进硫的氧还原反应动力学的具体机制仍不清楚。鉴于此，我院陈和冬特聘研究员团队构建了一种具有电偶极子域的多功能势阱型Bi₂Te₃/TiO₂异质结作为锂硫（Li-S）电池的隔膜改性材料。得益于TiO₂良好的多硫化物吸附能力以及Bi₂Te₃的高载流子迁移率和催化活性，暴露的异质结界面展现出优异的催化活性，有助于多硫化物的转化。具体来说，势阱的空间电荷区丰富的电偶极子能够加速Li⁺/多硫化物在异质结界面的传输和锚固。势阱二维Bi₂Te₃层能够高效捕获并束缚电子到异质结界面，为界面上的硫氧还原反应提供丰富的电子。此外，设计的异质结催化剂展现出对硫物种氧还原反应的高催化活性和优异的可逆性。因此，采用Bi₂Te₃/TiO₂改性隔膜的Li-S电池表现出显著提高的电化学性能，即在0.2 C下提供1375 mAh g^-1的高可逆比容量，并在1 C下经过1000次循环后，容量衰减率几乎为零（每循环0.022%）。即使在13.2 mg cm⁻²的高硫负载量和3.8 µL mg^-1的低E/S比条件下，依然可以实现11.2 mAh cm⁻²的高面容量和可接受的循环稳定性。该研究揭示了具有电偶极矩的多功能势阱型异质结材料的基本特性，并阐述了如何加速多硫化物的质量传输和催化转化，为Li-S电池高效催化剂的设计提供了新的视角。

图2. 锂硫电池中Bi₂Te₃/TiO₂异质结电催化剂的协同作用机理

陈和冬特聘研究员自2022年9月入职以来，以第一作者或通讯作者在Angewandte Chemie International Edition, Small, Chemical Engineering Journal, Surfaces and Interfaces等期刊发表SCI论文多篇，申请专利1项。相关研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金以及华南师范大学青年教师培育基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202423357