目前大多数锂硫电池反应电催化剂是基于过渡金属与多硫化锂的d-p轨道耦合策略，而金属元素内层轨道对催化反应的影响目前少有探索。近日，齐鲁工业大学顾少楠副教授和华中科技大学常海欣教授合作，设计并合成了一种稀土金属单原子催化剂Sm SACs，Sm SACs通过f-d-p轨道杂化增强活化了4f轨道的催化作用，Sm-N₃C₃独特的电子结构使其具有高效的电催化多硫化物还原氧化和抑制锂枝晶的作用。得益于这一设计，全电池出色的电池性能证明了其无枝晶高性能Li−S电池器件的实用前景。

通过在氮掺杂碳载体上合成Sm SACs，激活了内层4f轨道，4f轨道极化5d轨道并经历Mott跃迁， Sm的4f⁶5d⁰转变为4f⁵5d¹，发生f-d杂化，使得d_xz、d_yz附近的电子态增加，所以在与S₆^2-作用时，d轨道与p轨道实现最大化重叠，形成f-d-p轨道耦合，促进d-p杂化。为加速LiPSs的氧化还原动力学和Li的均匀沉积提供了足够的活性位点。这一点从密度泛函理论中也得到了验证。

设计的Sm-N₃C₃活性位点不仅可以双向催化转化LiPSs，而且在抑制Li枝晶方面具有很大的优势。用 Sm-N₃C₃修饰的隔膜, 半电池在4C倍率2000圈循环测试中实现了大于 600 mAh g⁻¹ 的容量与84.3%的容量保持率。所构建的S/CNTs| Sm-N₃C­3@PP| Sm-N₃C₃-Li全电池，在0.2 C下循环100次后保持率高达80.6%的稳定循环性能。该研究为稀土金属单原子在锂硫电池和其他电化学储能系统中的应用提供了一种有前途的策略。