The Role of Transition Metal Versus Coordination Mode in Single-Atom Catalyst for Electrocatalytic Sulfur Reduction Reaction

材料科学 催化作用 过渡金属 硫黄 Atom(片上系统) 还原(数学) 电催化剂 金属 无机化学 电化学 物理化学 冶金 有机化学 电极 化学 嵌入式系统 几何学 计算机科学 数学
作者
Wentao Zhang,Gaoshang Zhang,Jiabin Ma,Zhaotian Xie,Ziyao Gao,Kuang Yu,Lele Peng
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsami.4c01811
摘要

Electrocatalytic sulfur reduction reaction (SRR) is emerging as an effective strategy to combat the polysulfide shuttling effect, which remains a critical factor impeding the practical application of the Li–S battery. Single-atom catalyst (SAC), one of the most studied catalytic materials, has shown considerable potential in addressing the polysulfide shuttling effect in a Li–S battery. However, the role played by transition metal vs coordination mode in electrocatalytic SRR is trial-and-error, and the general understanding that guides the synthesis of the specific SAC with desired property remains elusive. Herein, we use first-principles calculations and machine learning to screen a comprehensive data set of graphene-based SACs with different transition metals, heteroatom doping, and coordination modes. The results reveal that the type of transition metal plays the decisive role in SAC for electrocatalytic SRR, rather than the coordination mode. Specifically, the 3d transition metals exhibit admirable electrocatalytic SRR activity for all of the coordination modes. Compared with the reported N3C1 and N4 coordinated graphene-based SACs covering 3d, 4d, and 5d transition metals, the proposed para-MnO2C2 and para-FeN2C2 possess significant advantages on the electrocatalytic SRR, including a considerably low overpotential down to 1 mV and reduced Li2S decomposition energy barrier, both suggesting an accelerated conversion process among the polysulfides. This study may clarify some understanding of the role played by transition metal vs coordination mode for SAC materials with specific structure and desired catalytic properties toward electrocatalytic SRR and beyond.
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