催化材料与反应物间的电子传输是实现催化活性的关键。有效的电子传输能够提升转化反应效率，是发挥电池能量密度的核心所在。然而，不同于典型催化体系中“反应物吸附-催化反应-产物脱附”过程，金属-硫、金属-空气等高比能电池中的转化反应呈现“反应物吸附-催化反应-产物沉积”特征。固相绝缘产物的沉积随着反应进行，会持续覆盖催化位点，阻断催化材料与后续反应物间的电子传输，导致催化活性丧失。因此，对于转化型高比能锂电池而言，催化材料面临的核心挑战不仅是提升材料的本征催化活性，更是在固相产物覆盖的情况下维持高效的电子传输，从而实现转化反应的持续高效进行。

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心先进炭及二维材料研究部的科研人员聚焦电池催化材料与反应物质间的电子输运方向，重新定义了电池用催化材料的设计准则，提出了以产物电子性质为核心的新思路，突破了常规热力学描述符的局限性。基于该准则发展的催化材料能改变产物的绝缘性，在反应过程中，维持高效的催化活性，显著提升了转化型锂硫电池与锂氧电池的性能。所构建的安时级软包锂硫电池的能量密度超过450 Wh kg^-1，验证了上述准则在实际复杂体系中的有效性。研究成果近期以“Breaking insulating barriers in solid-phase conversion reactions with dual-atom catalysts for high-energy lithium batteries”为题发表于《Nature Catalysis》期刊上。

该研究以具有明确空间构型和可调电子结构的双原子催化材料为模型体系，对351种催化材料开展了密度泛函理论计算优选和实验验证，解耦了热力学反应能垒与产物电子性质在催化固相转化反应中的作用规律：在反应初始阶段，催化材料的热力学反应能垒起主导作用，具有热力学优势的双原子催化材料可加速产物的成核动力学；但随着中间产物不断积累，反应不再由热力学因素主导，产物的电子性质成为决定整体催化性能的关键因素。该工作不仅为受绝缘固相转化限制的电化学体系确立了普适性设计原则，也为电催化反应设计开辟了新方向。

金属所于彤副研究员、博士毕业生肖茹为论文共同第一作者，李峰研究员、孙振华研究员和成会明研究员为论文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和博士后创新人才支持计划等项目的支持。

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图1. 催化材料的热力学性质和产物的电子性质对锂硫电池固相转化反应的作用。

图2. 双原子催化材料促进锂硫和锂空气电池的性能提升。