第一作者：李成球

通讯作者：梅仕林*，张其春*，姚长江*

通讯单位：北京理工大学，香港城市大学

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202512237

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近日，来自北京理工大学的姚长江/梅仕林团队与香港城市大学张其春教授合作，在刊《Small》上发表题为“A 2D Covalent Triazine Framework as An Interconvertible Redox Mediator to Promote Sulfur-Conversion Reactions”的观点文章。该论文构筑了一种高结晶性芘-4,5,9,10-四酮功能化共价三嗪框架（CPTO-CTF）。CPTO-CTF具备高度共轭的骨架结构和丰富的可逆氧化还原活性位点，可作为高效氧化还原介体，有效促进硫转化反应。在该体系中，活性单元PTO/锂化PTO与硫物种之间持续发生动态的化学氧化还原过程，从而加速硫的转化反应并提升活性物质的利用率。基于该材料的CPTO-CTF@S电池在0.2 C下实现了高达1233 mAh g^-1的放电比容量，在5 C下仍保持604 mAh g^-1的优异倍率性能，且经过600次循环后容量保持率高达95.6%。此外，该体系中化学与电化学协同反应机制在原型软包电池中进一步得到验证，其在0.2 C下实现了810 mAh g^-1的显著比容量，充分展现了优异的电化学性能。

背景介绍

随着电动汽车快速发展，传统锂离子电池能量密度受限，难以满足高续航需求。为实现更高能量密度，新型电池体系的探索成为必然。锂硫电池（LSBs）以金属锂为负极、硫为正极，具备高达2600 Wh kg-1的理论能量密度和1675 mAh g-1的容量，且硫资源丰富、成本低廉，具有广阔应用前景。然而，锂硫电池在放电过程中生成的多硫化锂（Li2Sn）会溶解并扩散，引发“穿梭效应”，此外，S8与Li2S的低导电性以及锂负极腐蚀和枝晶生长等问题，导致了容量衰减和循环性能的显著下降。这些问题严重制约了锂硫电池的循环稳定性，限制了其商业化应用。

本文要点

要点一：通过离子热法合成CPTO-CTF及对照TBPB-CTF，表征结果表明CPTO-CTF具结晶结构、高比表面积和有序孔道。CPTO-CTF与TBPB-CTF能均匀负载硫并促进离子扩散，表现优异的硫载体特性。

图1. (a) TBPB-CTF 与 CPTO-CTF 的结构示意图；(b) TBPB-2CN、PTO-2CN、TBPB-CTF 和 CPTO-CTF 的FT-IR曲线；(c) CPTO-CTF 的 C 1s XPS 谱图；(d) CPTO-CTF 的 N 1s XPS 谱图；(e) CPTO-CTF 的 O 1s XPS 谱图；(f) TBPB-CTF 和 CPTO-CTF 在 BET图谱；(g) CPTO-CTF 的PXRD图谱；(h) CPTO-CTF 的HR-TEM图谱；(i) TBPB-CTF@S 和 CPTO-CTF@S 的TGA曲线。

要点二：通过理论计算与实验验证，发现CPTO-CTF具有可逆氧化还原特性，其能同时作为化学氧化剂与还原剂，在充放电过程中分别活化S₈和Li₂S。PTO及其锂化结构与Li₂S/LiPSs能自发反应，绕过缓慢的电化学路径，从而加速硫转化反应并提高硫利用率。

图2. (a) CPTO-M 在 1.7–2.8 V 电压窗口内的锂化反应路径示意图；(b) 硫物种的电子能带；(c) CPTO-CTF+Li2S 和 TBPB-CTF+Li₂S 反应结果；(d) CPTO-CTF+Li₂S 氧化产物的 S 2p 光电子能谱；(e) CPTO-CTF+Li₂S 氧化产物的 Li 1s 光电子能谱；(f) 锂化 CPTO-CTF+S8 反应实验；(g) CPTO-CTF 作为双功能催化剂激活 S/Li₂S 反应路径的示意图。

要点三：系统评估了CPTO-CTF@S电极的电化学性能并与TBPB-CTF@S对比。CV与充放电测试显示，CPTO-CTF@S在0.2 C下比容量达1233 mAh g^-1，极化更低，表现出更高效的LiPSs↔Li₂S转化动力学。循环测试表明，CPTO-CTF@S在0.2 C和1 C下分别保持初始容量的87%和77%，而TBPB-CTF@S因更强的多硫化物吸附能力循环稳定性略优。倍率性能测试显示，CPTO-CTF@S在5 C下仍保持604 mAh g^-1且循环600次仅衰减0.011%，体现优异的高倍率稳定性。软包电池测试中，在高硫载量（4.1 mg cm^-2）和贫电解液条件下实现810 mAh g^-1放电容量。

图3. (a) TBPB-CTF@S 和 CPTO-CTF@S 的CV曲线； (b) CPTO-CTF@S与 TBPB-CTF 电极在 0.2 C 下的恒电流充放电曲线对比；(c) TBPB-CTF@S 和 CPTO-CTF@S 电极在 0.2 C 下循环 100 次的性能对比。(d) TBPB-CTF@S 和 CPTO-CTF@S 电极在 0.2 C 至 5 C 下的倍率性能测试；(e) TBPB-CTF@S 和 CPTO-CTF@S 电池在 1.0 C 下循环 200 次的循环性能；(f) TBPB-CTF@S 和 CPTO-CTF@S 电池在 5 C 下长循环 600 次的循环稳定性；(g) 硫载量为 4.1 mg cm^-2 的CPTO-CTF@S 软包电池在 0.2 C 下循环 100 次的循环性能。

要点四：原位XRD结果表明，CPTO-CTF@S在放电过程中Li₂S生成更早、充电时消失更快，显示其可双向催化硫物种转化。CPTO-CTF及其锂化产物通过连续氧化还原反应加速LiPSs↔Li₂S转化，协同导电骨架和化学吸附作用，有效提升硫反应动力学并抑制穿梭效应。

图 4. 锂硫电池的原位XRD测试结果：(a) 采用 CPTO-CTF@S 作为正极的电池；(b) 采用 TBPB-CTF@S 作为正极的电池；(c) CPTO-CTF 作为双功能催化剂在充放电过程中激活 S/Li₂S 的作用示意图。

总结与展望

本研究通过构建CPTO-CTF实现对硫物种双向催化作用，显著加速S↔Li2S转化并强化LiPSs的化学与物理吸附。该材料展现高比容量、优异倍率性能与长循环稳定性，为高效导电和氧化还原协同的硫载体设计提供新思路。

原文信息

A 2D Covalent Triazine Framework as An Interconvertible Redox Mediator to Promote Sulfur-Conversion Reactions

https://doi.org/10.1002/smll.202512237