鋰硫電池（Li–S battery）憑借超高理論能量密度與成本優(yōu)勢，被視為新一代儲(chǔ)能體系的重要方向。然而，鋰多硫化物（LiPSs）在電解液中的穿梭效應(yīng)及其緩慢的轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)，長期制約著該體系的實(shí)際應(yīng)用。

為突破這一技術(shù)瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種含硼空位（VB）的二維WB基 MBene 催化劑（WB–VB）。該催化劑通過原子尺度的空位調(diào)控實(shí)現(xiàn)了電子結(jié)構(gòu)優(yōu)化和催化位點(diǎn)重構(gòu)，從而有效提升鋰多硫化物的吸附與轉(zhuǎn)化效率。相關(guān)研究成果以 “Boron Vacancy Engineering in 2D WB-Based MBene Catalysts for Optimizing Lithium Polysulfide Reactions” 為題，發(fā)表于高水平期刊 《Small》（2025）。

在該研究中，作者借助美國 easyXAFS 公司研發(fā)的臺(tái)式 X 射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜儀 easyXAFS300+，對(duì)催化劑的局部結(jié)構(gòu)與電子行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并在放電/充電條件下實(shí)現(xiàn)了原位XAFS動(dòng)態(tài)追蹤，為揭示結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

硼空位誘導(dǎo)局部結(jié)構(gòu)重構(gòu)（上圖左1）

在二維 WB–VB 催化劑的構(gòu)筑過程中，研究人員利用 easyXAFS 進(jìn)行 W L? 邊 EXAFS 測試，對(duì)比分析了金屬 W 箔、WB 與 WB–VB 樣品的配位環(huán)境。

結(jié)果表明，相較于金屬 W 箔中典型的 W–W 配位峰（≈ 2.7 ?），WB 與 WB–VB 的主峰強(qiáng)度明顯降低，顯示出材料從金屬鍵向共價(jià)型 W–B 鍵 轉(zhuǎn)變。特別是 WB–VB 樣品中，W–B 配位峰進(jìn)一步減弱并輕微向短鍵距方向偏移，表明硼空位的引入降低了局部配位數(shù)，使 W 原子處于更加開放、電子密度降低的狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)特征為 LiPSs 的吸附與電子耦合提供了理想的反應(yīng)環(huán)境。

LiPSs 吸附后的界面結(jié)構(gòu)演化（上圖右1）

為揭示催化劑在電化學(xué)反應(yīng)界面上的活性變化，研究人員進(jìn)一步對(duì) LiPSs 吸附前后的樣品進(jìn)行了 EXAFS 對(duì)比分析。

結(jié)果表明，經(jīng)過 LiPSs 處理后，WB–VB 樣品在約 1.8 ? 處出現(xiàn)了新的 W–S 配位峰，同時(shí)原有的 W–B 峰顯著減弱。這一變化直接證明了反應(yīng)過程中 S 原子與 W 中心之間發(fā)生化學(xué)鍵合，說明該催化劑可實(shí)現(xiàn)與 LiPSs 的強(qiáng)電子耦合與高效吸附。相比之下，W 箔與 WS? 的光譜變化較小，進(jìn)一步證實(shí)了硼空位在調(diào)控 W 位點(diǎn)活性與促進(jìn) LiPSs 轉(zhuǎn)化方面的關(guān)鍵作用。

原位 XAFS 動(dòng)態(tài)追蹤：揭示可逆電子調(diào)控與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

為深入理解 W 中心在 LiPSs 轉(zhuǎn)化過程中的電子與結(jié)構(gòu)響應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)在 easyXAFS300+ 平臺(tái)上開展了 W L? 邊原位 XAFS 測試，實(shí)時(shí)追蹤催化劑在充放電過程中的價(jià)態(tài)與配位演化。

XANES光譜（上圖b,c）顯示：在放電階段，白線峰輕微向高能位移動(dòng)，說明 W 原子失電子、價(jià)態(tài)升高，有助于活性硫物種獲得電子并促進(jìn)還原反應(yīng)；充電階段，白線回落至低能位，表明W價(jià)態(tài)可逆降低，體現(xiàn)出優(yōu)異的可逆氧化還原特性。

EXAFS與小波變換（WT）結(jié)果（上圖d–g）表明：W–B（≈      1.93 ?）和 W–W（≈ 2.8 ?）配位峰在充放電過程中幾乎未發(fā)生明顯變化，說明催化劑骨架在電化學(xué)循環(huán)中保持高度穩(wěn)定，僅少部分 W 原子參與電子轉(zhuǎn)移。

這一系列原位 XAFS 結(jié)果揭示了 WB–VB 催化劑在工作狀態(tài)下兼具電子調(diào)控能力與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并可能在反應(yīng)過程中形成 W–S 結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì) LiPSs 的動(dòng)態(tài)催化轉(zhuǎn)化。

通過 easyXAFS 的高精度 XANES 與 EXAFS 測試，本研究突破性的在原子尺度上明確了硼空位對(duì) W 中心電子結(jié)構(gòu)與配位環(huán)境的調(diào)控作用，揭示了其在 LiPSs 吸附與轉(zhuǎn)化反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移路徑。

結(jié)語

值得一提的是，easyXAFS設(shè)備打破了傳統(tǒng)表征手段的限制，無需依賴同步輻射光源，即可在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中實(shí)現(xiàn) X 射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（XAFS）與 X 射線發(fā)射譜（XES）雙通道測試，獲得媲美同步輻射光源的高質(zhì)量譜圖，可精準(zhǔn)分析材料的元素價(jià)態(tài)、化學(xué)鍵及配位結(jié)構(gòu)信息。目前，easyXAFS 已被廣泛應(yīng)用于電池、電催化、環(huán)境化學(xué)、地質(zhì)、陶瓷、電磁波材料與核化學(xué)等研究領(lǐng)域，并助力科研團(tuán)隊(duì)在 Joule、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Angew. Chem.、Adv. Energy Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater. 等國際高水平期刊上發(fā)表了大量成果，持續(xù)推動(dòng) X 射線表征技術(shù)在科研領(lǐng)域的普及與創(chuàng)新。