近日，我院张秋禹教授团队王天帅副教授联合香港科技大学邵敏华教授在Journal of the American Chemical Society期刊在线发表题为《In-plane Electronic Metal-Support Interaction Enables Efficient Sulfur Catalysis on Ni Single-Atom Catalysts》的理论研究论文。

镍基单原子催化剂在锂硫电池领域因优异的催化性能受到广泛关注，但对于其真实活性位点的讨论仍存在争议。例如，实验观测单原子镍催化剂能够通过形成Ni–S键实现优异的多硫化物吸附与催化性能，但理论计算却表明常规的NiN₄位点对硫物种表现出惰性吸附行为，难以形成有效Ni–S键，这一矛盾限制了对镍单原子催化剂催化本质的理解。

考虑到实际高温合成过程中受到表面能与热力学稳定性的影响，镍基单原子催化剂通常难以形成理想均一的NiN₄结构，而更可能存在多种Ni配位环境共存。不同C/N配位结构能够调控Ni中心电子结构与催化性能，因此真实活性位点可能来源于其他非理想Ni配位结构，而非单一NiN₄模型。基于此，该工作通过理论计算对不同配位构型的Ni基单原子催化剂进行了探究，并阐明了单原子镍催化剂中Ni-S键形成的内在规律。研究表明Ni-S键能否有效形成，取决于配位环境是否能够诱导Ni轨道形成非全占据的d轨道自旋极化态，进而触发量子自旋交换相互作用促进电子离域，并通过面内金属-载体电子相互作用 (IP-EMSI) 构建动态电子传输通道，实现电子的瞬态存储与再分配，从而引发、稳定Ni-S键并加速硫物种转化过程。其中，dz2/dxz/dyz轨道可与S成键直接相关，dx2-y2及dxy轨道可以与面内载体的N之间形成电子桥中继从而影响成键轨道的电子填充机制，从而辅助Ni-S键形成。该工作将金属载体电子相互作用拓展到了面内区域，揭示了Ni单原子催化剂在锂硫电池中的本征催化机制，为高性能单原子催化剂的精准设计与高效筛选提供了新的理论思路。

学院2026级博士研究生王泽一为论文的第一作者，王天帅副教授和香港科技大学邵敏华教授为论文共同通讯作者。研究工作得到了香江学者计划、陕西省高层次青年人才计划和陕西省创新团队等项目的资助支持。

论文信息：

Zeyi Wang, Kai Cui, Tianshuai Wang, * Qiuyu Zhang, Dominik Legut, Minhua Shao.* In-plane Electronic Metal-Support Interaction Enables Efficient Sulfur Catalysis on Ni Single-Atom Catalysts, J. Am. Chem. Soc. 2026, 10.1021/jacs.4c14583.

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c03479

图文简介：

图1 NiN₄的吸附惰性及不同配位结构的稳定性分析。

图2 不同配位结构SANi的催化性能及电子结构分析。

图3 IP-EMSI诱导Ni-S键形成的电子机制分析。

图4 可解释性机器学习分析。

图文/王泽一

审核/陈凯杰