锂硫电池是实现下一代高能量密度电池的关键路线之一，但是硫、（多）硫化锂之间的硫还原反应（SRR）动力学缓慢，是限制硫正极容量和倍率性能、加剧多硫化物溶出等问题的重要因素。在硫正极的碳载体表面引入电催化剂能够有效降低SRR反应势垒，加速电极反应，从而大幅改善其电化学性能。已有研究普遍认为：碳载体只是电子的导体和催化剂材料的载体，很少关注碳载体结构对SRR电催化活性的影响。另一方面，对比已有研究工作发现：对同一种催化剂材料的SRR活性优劣的问题，不同课题组具有不同的判断，没有达成一致性结论。

近日，中国科学技术大学金松博士、李震宇教授和季恒星教授共同提出：碳载体的碳原子杂化形式是影响催化活性中心电子结构、参与决定SRR电催化活性的重要因素。他们以石墨碳（GC）和无定形碳（AC）为模型，结合理论计算和电化学实验发现：如果活性中心邻近的碳原子是sp²杂化，则能够有效提高催化活性中心局域电荷密度，促进多硫化物与活性中心电荷转移，加速SRR反应，改善锂硫电池的循环稳定性和倍率性能。

首先，作者选择氮掺杂碳作为催化剂模型，DFT计算观察到GC中掺入的氮原子的局域电荷密度比AC中的氮原子更高，并且在N-Graphene模型上硫还原所需的吉布斯自由能更低，表明具有高石墨化程度的GC基电催化剂能够更加有效的促进SRR。

随后，作者合成了氮掺杂石墨烯（N-Gr）、氮掺杂碳纳米管（N-CNT）和两种氮掺杂无定形碳（N-AC-ZIF、N-AC-Glu），分别代表GC和AC基电催化剂，XPS和XAS结果均表明N-Gr和N-CNT中sp²-C占比更高。

针对四种电催化剂进行了一系列电学性能测试，与N-AC-ZIF和N-AC-Glu相比，N-Gr和N-CNT对硫物种的氧化还原过程有明显的促进效果，表明GC基电催化剂在SRR过程中有较高的活性。

为尽量减小不同电催化剂的物化性质对全电池性能的影响，作者选用性质较为相近的N-Gr和N-AC-Glu（分别代表GC和AC）作为硫载体组装锂硫电池。S@N-Gr不仅在各个放电电位的活化能更低，其容量发挥、循环稳定性和倍率性能也较S@N-AC-Glu更加可观，可见GC基电催化剂在SRR中的优异活性对全电池性能亦有正向影响。

该工作主要关注了一个长久以来被忽视的问题：对于SRR中的碳基电催化剂，碳基底不仅仅作为活性物质载体和电子导体，其还通过改变催化活性位点的局域电荷密度影响硫的电催化还原活性。该工作可以为锂硫电池高效碳基电催化剂的合理设计提供新的思路。