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水系氧化还原液流电池（RFBs）因其功率与能量解耦、高安全性和可扩展性，被认为是规模化储能的重要技术。其中，基于S²⁻/Sₓ²⁻和I⁻/I₃⁻氧化还原对的硫-碘体系（SIRFBs）因活性物质高溶解度和低成本备受关注。然而，该体系多步电荷转移反应导致的缓慢动力学、高极化电阻和低能量效率限制了其实际应用。现有金属硫化物催化剂（如CoS₂、Cu₂S₄等）虽能部分提升性能，但仍存在活性不足和循环稳定性差的问题。近年来，二维MoS₂因其独特的电子结构和缺陷特性在电催化领域展现出潜力，但其本征活性仍难以满足高功率需求。单原子催化剂（SACs）凭借最大原子利用率和可调控的电子结构为RFBs提供了新思路，但单原子掺杂MoS₂在SIRFBs中的应用尚未报道。

温州大学孟格联合广西大学刘熙俊、兰州交通大学褚克、清华大学王定胜团队设计了一种缺陷型MoS₂纳米片负载的钴单原子催化剂（Co_SA-V_{S/MoS₂），该催化剂可加速S²⁻/Sₓ²⁻和I⁻/I₃⁻氧化还原对的转化，从而使所构建的聚硫化物-碘化物RFB在20 mA cm⁻²电流密度和50%荷电状态下，初始能量效率（EE）达到87.9%，过电位为113 mV，50次循环的平均EE为80.4%；在10 mA cm⁻²电流密度和10%荷电状态下，最大功率密度为95.7 mW cm⁻²，循环寿命超过850次。}

原位实验和理论分析表明，钴单原子通过相变过程诱导MoS₂中产生丰富的硫空位，二者协同增强了反应物及关键中间体的吸附能力并改善了电荷转移，从而显著提升了电池性能。该项研究通过设计钴单原子与硫空位协同的MoS₂催化剂，解决了传统催化剂的局限性，为高性能SIRFBs的开发提供了创新方案。

图1 Co_SA-V_S/MoS₂纳米片的微观结构表征

图1展示了Co_SA-V_S/MoS₂纳米片的合成过程及微观结构表征。通过一步溶剂热原位生长策略并结合退火活化，在石墨毡（GF）基底上制备了均匀分布的纳米片阵列（横向尺寸约350-450 nm）。SEM和TEM图像显示纳米片呈多孔互连结构，有利于活性边缘位点暴露和质量传输。EDX元素分布图证实Co、Mo、S元素均匀分散，AC-HAADF-STEM图像进一步揭示了钴单原子（CoSA）的孤立分散及硫空位（VS）的存在。此外，钴单原子诱导MoS₂从三角棱柱相（2H）向金属性八面体相（1T）转变，促进了硫空位的形成，为后续增强反应中间体吸附和电荷转移提供了结构基础。

图2 XPS和XAFS光谱分析

图2通过XPS和XAFS光谱分析了Co_SA-V_S/MoS_{2的化学状态及配位环境。Co 2p XPS谱显示Co²⁺特征峰（781.3 eV和797.4 eV），结合XANES谱表明Co原子呈+2价态。Mo 3d和S 2p谱揭示了1T-MoS₂相的形成及硫空位的存在。FT-EXAFS拟合和小波变换证实Co原子与周围硫原子配位（Co-S键长1.70 Å），且无Co-Co键，表明钴以单原子形式分散。ICP-OES定量显示Co负载量为1.62 wt%，与XPS结果一致。这些数据共同验证了CoSA与VS的协同作用对电子结构的调控，从而优化催化活性。}

图3 吸附和循环伏安法表征

图3研究了Co_SA-V_{S/MoS₂对I₃⁻和Sx²⁻的吸附行为及电催化活性。UV-vis光谱显示，与GF和MoS₂相比，}Co_SA-V_{S/MoS₂对I₃⁻（290和352 nm）及Sx²⁻（260、310、370 nm）的吸附能力显著增强，静态扩散实验进一步验证了其抑制活性物质穿梭的效果。循环伏安（CV）测试表明，}Co_SA-V_{S/MoS₂对I⁻/I₃⁻和S²⁻/Sx²⁻的氧化还原反应具有更低的峰电位差（E_p分别为0.24 V和0.38 V），且电流密度更高，表明其优异的催化动力学和可逆性。此外，扩散系数（D）计算显示}Co_SA-V_{S/MoS₂的电荷传输速率最快，与电池性能提升直接相关。}

图4 Co_SA-V_S/MoS₂和MoS₂的理论分析

图4通过密度泛函理论（DFT）计算揭示了Co_SA-V_{S/MoS₂的催化增强机制。态密度（DOS）分析表明，CoSA和VS协同诱导自旋极化态，提升了材料的导电性和对中间体的亲和力。吸附能计算显示，}Co_SA-V_{S/MoS₂对I⁻、I₂、I₃⁻及Sx²⁻（x=2-8）的吸附能显著低于纯MoS₂，表明其更优的吸附能力。自由能图进一步证实，I₂→I₃⁻和S²⁻→S₂²⁻的关键步骤（PDS）能垒分别降至0.14 eV和0.38 eV（纯MoS₂为0.54 eV和0.68 eV），表明CoSA与VS的协同作用显著降低了反应能垒，加速了氧化还原动力学。}

图5 Co_SA-V_S/MoS₂SIRFBs水溶液的电化学性能

图5展示了基于Co_SA-V_{S/MoS₂的硫-碘液流电池（SIRFB）性能。电化学阻抗谱（EIS）显示其电荷转移电阻（R_ct）仅为0.76 Ω cm⁻²，显著低于GF（18.81 Ω cm⁻²）和MoS₂（0.85 Ω cm⁻²）。充放电测试中，电池在20 mA cm⁻²下初始能量效率（EE）达87.9%，过电位为113 mV，50次循环后EE保持80.4%。功率密度高达95.7 mW cm⁻²，优于多数已报道的金属硫化物催化剂（如Cu₂S₄/CNT的84.6 mW cm⁻²）。此外，在10 mA cm⁻²和10%荷电状态下，电池循环寿命超过850次，EE保持率62%。原位拉曼和UV-vis实验证实，}Co_SA-V_{S/MoS₂有效抑制I₂残留并稳定中间体转化。这些结果表明该催化剂在高效、长寿命储能系统中具有实际应用潜力。}

该项研究通过将钴单原子（Co₅ₐ）引入MoS₂晶格，结合硫空位（V₅）的形成和金属性1T相变，在石墨毡基底上制备了自支撑的Co_SA-V_{S/MoS₂纳米片。基于该催化剂的硫-碘氧化还原液流电池（SIRFB）在20 mA cm⁻²电流密度下表现出87.9%的能量效率和113 mV的低过电位，50次循环后EE保持率稳定在88.7%。此外，该电池在10 mA cm⁻²电流密度和10%荷电状态下可实现95.7 mW cm⁻²的功率密度及850次的长循环寿命。}

通过原位拉曼光谱、原位紫外-可见光谱和密度泛函理论（DFT）计算，发现Co_SA-V_{S/MoS₂通过优化中间体吸附行为和降低能垒，显著提升了S²⁻/Sₓ²⁻和I⁻/I₃⁻氧化还原反应的催化活性。这项工作为开发高性能单原子掺杂MoS₂基催化剂提供了新策略，并为聚硫化物/碘化物化学体系的深入理解提供了重要见解。}

Wang, Z., Lu, G., Wei, T. et al. Synergy of single atoms and sulfur vacancies for advanced polysulfide–iodide redox flow battery. Nat Commun 16, 2885 (2025).