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湖大梁宵AEM: 雙金屬二維MOF串聯電催化硫還原,每循環僅衰減0.036%!

湖大梁宵AEM: 雙金屬二維MOF串聯電催化硫還原,每循環僅衰減0.036%!
鋰硫電池具有理論能量密度高(2600 Wh kg-1)、成本低、環境友好等優點,被認為是鋰離子電池的有前途的替代品。硫氧化還原中間體的多樣性和耦合性及其相關的固-液-固多相轉化機制對設計合適的電催化劑提出了巨大挑戰。
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在此,湖南大學梁宵教授等人提出理想的催化劑應具有兩個催化中心,在一個結構內串聯催化液-液轉化(Li2S8(液)?Li2S4(液),LLR)和液-固轉化(Li2S4(液)?Li2S(固),LSR),并使用具有不同金屬中心的2D MOF納米片進行驗證。
結果表明,2D MOF對LLR和LSR的催化活性對金屬中心敏感,這由硫氧化還原反應不同步驟的活化能和法拉第電流密度證實。Ni-MOF能夠更有效地催化液態區域的 LLR,而Co-MOF有利于增強Li2S的轉化動力學。
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圖1. 硫還原過程中催化活性的起源和動力學
此外,XANES分析和DFT計算表明,Ni和Co中心對集成雙金屬CoNi-MOF具有協同催化活性,這歸因于Ni和Co之間通過O橋的電荷再分配,即Co上的電荷積累和Ni上的電荷耗盡。
因此,Li-S全電池測試表明,硫含量高達86 wt%的S@CoNi-MOF正極具有優異的循環穩定性(1C下循環500次,每循環容量衰減低至0.036%)和優異的倍率性能。即使在硫負載量為4.6 mg cm-2的情況下,80次循環后的可逆容量仍高達900 mAh g-1。這種雙功能策略為實現高能量密度鋰硫電池提供了一條有前途的路徑。
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圖2. 基于不同電極的鋰硫電池的電化學性能
A Tandem Electrocatalysis of Sulfur Reduction by Bimetal 2D MOFs, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202102819

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