Dual Active Sites of Oversaturated Fe‐N5 and Fe2O3 Nanoparticles for Accelerating Redox Kinetics of Polysulfides

催化作用 吸附 材料科学 氧化还原 阴极 化学工程 纳米颗粒 氮气 碳纤维 纳米晶 动力学 分离器(采油) 纳米技术 无机化学 化学 物理化学 复合数 有机化学 量子力学 复合材料 热力学 工程类 物理
作者
Shuai Zhang,Youquan Zhang,Li Ma,Cheng Ma,Chunxiao Zhang,Yuejiao Chen,Libao Chen,Liangjun Zhou,Weifeng Wei
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (21) 被引量:18
标识
DOI:10.1002/smll.202300293
摘要

The shuttling effect and sluggish reaction kinetics are the main bottlenecks for the commercial viability of lithium-sulfur (Li-S) batteries. Metal-nitrogen-carbon single atom catalysts have attracted much attention to overcoming these obstacles due to their novel electrocatalytic activity. Herein, a novel cooperative catalytic interface with dual active sites (oversaturated Fe-N5 and polar Fe2 O3 nanocrystals) are co-embedded in nitrogen-doped hollow carbon spheres (Fe2 O3 /Fe-SA@NC) is designed by fine atomic regulation mechanism. Both experimental verifications and theoretical calculations disclose that the dual active sites (Fe-N5 and Fe2 O3 ) in this catalyst (Fe2 O3 /Fe-SA@NC) tend to form "FeS" and "LiN/O" bond, synchronically enhancing chemical adsorption and interface conversion ability of polysulfides, respectively. Specially, the Fe-N5 coordination with 3D configuration and sulfiphilic superfine Fe2 O3 nanocrystals exhibit the strong adsorption ability to facilitate the subsequent conversion reaction at dual-sites. Meanwhile, the nitrogen-doped hollow carbon spheres can promote Li+ /electron transfer and physically suppress polysulfides shuttling. Consequently, Li-S battery with the Fe2 O3 /Fe-SA@NC-modified separator exhibits a high capacity retention of 78% after 800 cycles at 1 C (pure S cathode, S content: 70 wt.%). Furthermore, the pouch cell with this separator shows good performance at 0.1 C for practical application (S loading: 4 mg cm-2 ).
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