锂硫电池因其高理论比容量1675 mAh g⁻¹和高能量密度，被认为是下一代储能体系的重要候选。然而，硫正极在充放电过程中存在多硫化物溶解扩散引发的穿梭效应，以及硫物种转化动力学缓慢等关键问题，严重制约了其实际应用。当前电催化策略虽可降低反应能垒，但多数单一组分催化剂存在单向催化特性，难以兼顾充放电双向反应，从而限制了整体性能提升。
2026年4月12日，南京大学金钟教授、中山大学刘佳鹏助理教授与安徽工业大学马连波教授等人在《ACS Nano》上发表了题为“A Molybdenum Carbide Mixcrystal Structure with Synergistic Catalytic Activity for Accelerating Sulfur Redox Reactions in Lithium–Sulfur Batteries”的研究论文。该工作构建了一种MoC-Mo₂C混晶异质结构纳米点嵌入碳片空心结构（MoC-Mo₂C/CSHA），通过协同催化机制实现硫物种的双向快速转化。
在结构设计上，该材料呈现约450 nm空心球形结构，壳层厚度约50 nm，表面负载平均尺寸约4.5 nm的MoC与Mo₂C纳米晶。该异质结构不仅提供丰富电活性位点，还通过碳骨架构建高效电子传输网络，同时形成物理阻挡层抑制多硫化物扩散，实现吸附与催化的协同优化。
电化学测试结果表明，MoC-Mo₂C/CSHA在硫氧化反应中表现出更低的Tafel斜率约77.0 mV dec⁻¹，显著优于单组分对照样品。同时，其电池体系展现出高达1401 mAh g⁻¹的初始比容量，且电压极化仅162 mV，说明其有效降低了反应能垒并加快动力学过程。此外，Nyquist测试显示其具有最低电荷转移阻抗，验证了优异的电子传输能力。
进一步通过GITT测试发现，该体系在Li₂S成核与分解过程中分别仅需45.0 mV和95.2 mV的过电位，显著低于对照体系。同时，对称电池与非对称电池测试表明其具有更高电流响应与更快的Li₂S沉积行为，体现出优异的催化能力。
原位XRD与原位EIS研究揭示，在充放电过程中MoC-Mo₂C/CSHA可促进生成更多Li₂S/Li₂S₂，说明其对长链多硫化物向短链产物转化具有更高效率。理论计算进一步表明，该异质结构的反应决速步骤能垒仅为1.46 eV，远低于单一MoC（3.60 eV）和Mo₂C（1.85 eV），同时Li₂S分解能垒降至0.29 eV，证明其在氧化过程同样具有优势。
在电池性能方面，该材料在3.0 C倍率下仍可实现706 mAh g⁻¹的比容量，在1.0 C条件下循环500圈后仍保持660 mAh g⁻¹，容量保持率达67.1%。即使在2.0 C高倍率下，容量衰减率仅为0.078%每圈，展现出优异的循环稳定性。
在高硫负载条件下（约4.0 mg cm⁻²），电池仍可实现1273 mAh g⁻¹的初始容量，对应面容量达5.09 mAh cm⁻²，且循环50圈后保持3.69 mAh cm⁻²。同时，软包电池在100圈后仍保持843 mAh g⁻¹，显示出良好的工程应用潜力。
此外，循环后锂负极表面表征表明，该催化层有效抑制了多硫化物穿梭引起的副反应，使锂表面保持平整结构，从而进一步提升电池稳定性。
1、构建MoC-Mo₂C混晶异质结构，实现硫物种双向协同催化，显著降低反应能垒并提升转化动力学效率。
2、结合原位XRD与理论计算揭示催化机制，实现能垒降低至1.46 eV并增强Li₂S生成与分解效率。
3、在高倍率与高负载条件下兼具高容量与长寿命，验证其在实际锂硫电池中的应用潜力。
图1 MoC-Mo₂C/CSHA的构建过程及其在锂硫电池中抑制穿梭并促进转化的机理
图2 MoC-Mo₂C/CSHA呈空心球结构且均匀分布纳米晶实现高活性位点暴露
图3 MoC-Mo₂C/CSHA显著提升硫氧化还原反应动力学并降低极化
图4 原位XRD表明MoC-Mo₂C/CSHA促进生成更多Li₂S并增强转化效率
图5 MoC-Mo₂C/CSHA实现高倍率性能与长循环稳定性并保持高容量
图6 理论计算与实验验证其降低反应能垒并抑制多硫化物穿梭
该研究构建了MoC-Mo₂C混晶异质结构电催化剂，通过协同催化机制显著提升硫物种双向转化动力学并抑制穿梭效应。材料在降低反应能垒、提升电子传输及稳定界面方面表现突出，使锂硫电池在高倍率、高负载条件下实现高容量与长寿命运行。该工作为异质结构电催化剂设计提供了重要思路，并为锂硫电池走向实际应用奠定了基础。
文献链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c02582
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