Exploring the anchoring effect and catalytic mechanism of 3d transition metal phthalocyanine for S8/LiPSs: A density functional theory study

锂(药物) 密度泛函理论 材料科学 锚固 分解 催化作用 硫黄 氧化还原 过渡金属 金属 光化学 酞菁 化学 无机化学 计算化学 纳米技术 有机化学 内分泌学 工程类 医学 结构工程
作者
Bin Yu,Qiu He,Yan Zhao
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier BV]
卷期号:558: 149928-149928 被引量:41
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2021.149928
摘要

The strong anchoring effects for lithium polysulfides (LiPSs), as well as fast redox kinetics, are of great significance and necessity for the commercial development of lithium-sulfur batteries (LSBs). Metal phthalocyanines (MPc), with special M-N4 moieties, are a class of macrocyclic compounds that have the potential to be employed as sulfur host materials in LSBs. Herein, a series of 3d transition metal phthalocyanines (M = Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) were systematically investigated for the anchoring effects and catalytic conversion activities for S8/LiPSs. The binding energy analysis demonstrates that most of MPc (except NiPc and CuPc) have stronger binding strength for S8/LiPSs than metal-free phthalocyanine (H2Pc), mainly due to the strong interaction between transition metals and S atoms. Meanwhile, the formation of the M–S bond shows a weakening effect on the Li–S bonds of Li2S then boosts the decomposition of Li2S, and MPc also possesses a relatively lower lithium diffusion barrier than H2Pc. Moreover, MPc can also accelerate the multi-step conversions from S8 to Li2S by reducing the free energy of the rate-limiting reaction (Li2S2 to Li2S) in sulfur reduction reactions (SRR). Among these MPc, TiPc has the best performance in anchoring LiPSs, accelerating the decomposition of Li2S, and promoting SRR.
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