第一作者:Dawei Yang通訊作者:徐明,周光敏,David Mitlin,Andreu Cabot通訊單位:北京化工大學(xué)、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校、清華大學(xué)深圳國際研究生院等論文速覽: 鋰硫電池(LSB)是下一代能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的可行選擇。然而,鋰多硫化物(LiPS)的穿梭效應(yīng)和硫及鋰硫化物的電導(dǎo)率差限制了其應(yīng)用。本研究報(bào)道了一種基于C2N 2D-有機(jī)框架的高負(fù)載低配位鈷單原子(Co-SAs/C2N)作為LSB正極的有效硫宿主。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果揭示了不飽和Co?N2活性位點(diǎn)通過形成強(qiáng)Sx2??Co?N鍵有效地捕獲多硫化物離子的電子。此外,LiPS與不飽和Co?N2活性位點(diǎn)之間的電荷轉(zhuǎn)移賦予了固定LiPS低自由能和低電化學(xué)分解能壘,從而加速了LiPS的動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化。因此,S@Co-SAs/C2N基正極表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能、令人印象深刻的循環(huán)穩(wěn)定性和高面積容量,是商業(yè)鋰離子電池的兩倍。圖文導(dǎo)讀:圖1. 展示了C2N支撐的Co單原子合成示意圖,以及不同放大倍數(shù)下的HAADF-STEM圖像,紅色圓圈顯示了作為亮點(diǎn)的單個(gè)Co原子。EDX元素映射圖顯示了Co-SAs/C2N中C、N和Co的均勻分布。圖2. 展示了Co-SAs/C2N的XANES光譜和Co K-edge FT-EXAFS光譜,以及EXAFS擬合曲線和參考樣品的EXAFS振蕩圖。這些分析結(jié)果表明Co原子以Co?N2配位結(jié)構(gòu)均勻分散在C2N基質(zhì)中。圖3.?展示了Li2S4溶液和不同材料吸附后的UV-Vis光譜和光學(xué)照片,以及Co-SAs/C2N在Li2S4吸附前后的N 1s和Co 2p XPS光譜。這些結(jié)果證實(shí)了Co-SAs/C2N對(duì)LiPS具有強(qiáng)吸附能力。圖4.?展示了對(duì)稱電池的CV曲線,Li-S紐扣電池的CV曲線,不同電極的充放電曲線,以及Li2S在C2N和Co-SAs/C2N上的分解能壘和LiPS物種的吉布斯自由能變化曲線。這些結(jié)果表明Co-SAs/C2N作為催化劑促進(jìn)了多硫化物的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。圖5.?展示了S@Co-SAs/C2N電極在不同倍率下的充放電曲線,電極的倍率性能和容量保持情況,以及高硫負(fù)載下S@Co-SAs/C2N電極的循環(huán)性能。這些結(jié)果證明了S@Co-SAs/C2N電極在高硫負(fù)載和低電解液條件下的優(yōu)異性能。總結(jié)展望:本研究通過精確設(shè)計(jì)Co?N2配位結(jié)構(gòu)的Co-SAs/C2N,探索了Co?N2位點(diǎn)在LiPS轉(zhuǎn)化過程中的吸附和催化性質(zhì)。Co-SAs/C2N展現(xiàn)出對(duì)多硫化物的鋰親/硫親性結(jié)合,有效防止了LiPS在電解液中的溶解。此外,不飽和Co?N2中心作為多功能位點(diǎn),加速了LiPS的轉(zhuǎn)化,并降低了放電/充電過程中Li2S沉積和分解的反應(yīng)能壘。S@Co-SAs/C2N電極因此展現(xiàn)出卓越的倍率性能和超長期循環(huán)穩(wěn)定性。即使在高硫負(fù)載和低電解液條件下,S@Co-SAs/C2N電極也顯示出顯著的面積容量,滿足了商業(yè)LIBs的需求。本工作為設(shè)計(jì)SAC基宿主以提高LSB性能提供了新的見解。文獻(xiàn)信息: 標(biāo)題:Single-Atom Catalysts with Unsaturated Co?N2 Active Sites Based on a C2N 2D-Organic Framework for Efficient Sulfur Redox Reaction期刊:ACS Energy Letters