近日，我校材料科学与工程学院邓意达/李运勇教授团队在锂硫电池关键催化机理研究方面取得重要进展。硫电池因其超高理论质量能量密度（2600 Wh/kg）和体积能量密度（2800 Wh/L），在低空无人机、海洋装备等对空间和重量高度敏感的应用领域具有重要发展潜力。然而，多硫化锂转化动力学缓慢、反应能垒高及穿梭效应等问题，严重制约了锂硫电池的实际应用。发展高效催化材料、加速硫氧化还原反应，是该领域亟需突破的关键科学问题。

针对上述挑战，研究团队围绕阴离子掺杂过渡金属化合物催化剂的构效关系展开系统研究，结合机器学习方法、密度泛函理论计算和实验验证，首次从电子结构本质出发，提出了基于 p-p-s 轨道耦合的阴离子掺杂催化剂设计新准则。

创新点一：阴离子掺杂催化剂设计准则的提出

在锂硫电池的催化机理研究中，邓意达/李运勇教授团队首次提出了基于 p-p-s 轨道耦合 的阴离子掺杂催化剂设计准则。研究表明，阴离子掺杂不仅只是增加活性位点的数量，而是通过调控阴离子、催化剂表面 S/Se 原子与多硫化锂中 Li 原子之间的电子耦合强度，优化多硫化锂的吸附与转化行为。这一新颖的设计思想为锂硫电池催化剂的开发提供了全新的方向，也为高效催化材料的定量设计奠定了理论基础（图1）。

创新点二：p-p-s 电子耦合强度与催化性能的量化描述

研究团队提出了两个新的参数I_band(p-s)=（ε_p-ε_s）/εp 和 C_band(p-p’)=（ ε_p’-ε_p）/ε_p来定量描述 p-p-s 电子耦合强度，并通过机器学习方法建立了吉布斯自由能垒与 p-p-s 耦合强度之间的映射关系。该方法成功验证了不同阴离子掺杂催化剂的设计准则，为催化剂的筛选与优化提供了理论依据和工具。研究揭示了只有适度的轨道耦合强度才能在吸附与反应活性之间实现最佳平衡，从而有效降低反应能垒，提高催化性能（图1）。

图1不同阴离子掺杂过渡金属化合物的双向催化剂设计原则。

创新点三：高效催化材料的成功筛选与应用

在理论指导下，研究团队成功筛选并构筑了高效催化材料 B-WSe₂/MXene，并将其应用于锂硫电池的硫正极。该材料在高硫载量和贫电解液条件下，仍然展现出优异的电化学性能，尤其是在3 Ah级软包电池应用中，能量密度超过 430 Wh/kg。团队通过这一实验证明了所提出的催化剂设计准则在实际电池应用中的可行性和先进性，进一步推动了高能量密度锂硫电池的发展（图2）。

图2 基于不同阴离子掺杂过渡金属化合物催化剂的锂硫电池电化学性能。

该研究成果为锂硫电池高效催化材料的设计提供了新思路，不仅具有重要的学术意义，还为高能量密度储能器件的开发和实际应用提供了技术支持。同时，这一研究为我校在海洋新能源材料和特种能源器件领域的创新奠定了坚实基础。

该工作得到了国家自然科学基金面上、重点、海南省重点研发计划、海南省自然科学杰出青年基金等项目的资金资助。相关成果以Design rules for anion-doped catalysts revealed by p-p-s orbital coupling in Li-S chemistry 为题，发表在国际期刊 《Nature Communications 》上。海南大学邓意达教授和李运勇教授为本文的通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65908-4