Regulating Coordination Environment in Metal–Organic Frameworks for Adsorption and Redox Conversion of Polysulfides in Lithium–Sulfur Batteries

催化作用 吸附 氧化还原 硫黄 电化学 锂(药物) 化学 金属有机骨架 无机化学 金属 化学工程 材料科学 纳米技术 组合化学 有机化学 电极 物理化学 工程类 内分泌学 医学
作者
Yingbo Xiao,Wei Gong,Sijia Guo,Yuan Ouyang,Dixiong Li,Xin Li,Qinghan Zeng,Wenchao He,Haoyan Deng,Chao Tan,Qi Zhang,Shaoming Huang
出处
期刊:ACS materials letters [American Chemical Society]
卷期号:3 (12): 1684-1694 被引量:27
标识
DOI:10.1021/acsmaterialslett.1c00512
摘要

Metal–organic frameworks (MOFs) have shown potential for trapping and catalyzing lithium polysulfides (LiPSs) in lithium–sulfur batteries (LSBs), which is, however, challenging, because their catalytic metal centers are usually fully coordinated with ligands and inactivated. To understand the design principle of such MOFs, herein, three task-specific Bi-MOFs (Bi-MOF-1, Bi-MOF-2, and Bi-MOF-3) were designed to regulate the catalytic sites and systematically study the mechanism for trapping and catalyzing LiPSs. Specifically, the catalytic function of Bi-MOFs can be artificially activated or locked by exposing Bi3+ clusters or coordinating Bi3+ with organic molecules. A series of ex situ/in situ electrochemical tests and theoretical calculations demonstrated the key role of both the open metal sites on Bi3+ clusters and Bi3+-S interaction within Bi-MOF-1 for adsorbing and catalyzing LiPSs. Moreover, Bi-MOF-1 can improve the specific capacity of LSBs by 50% and decrease the decay rate by 80% after 1000 cycles at 1 C, compared with the LSBs without catalytic interlayer, showing the great potential of catalytic MOFs for high-performance LSBs.

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