Role of the Metal Atom in a Carbon‐Based Single‐Atom Electrocatalyst for LiS Redox Reactions

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作者
Shuai Xie,Xingjia Chen,Chao Wang,Yin‐Rui Lu,Ting‐Shan Chan,Cheng‐Hao Chuang,Jing Zhang,Wensheng Yan,Song Jin,Hongchang Jin,Xiaojun Wu,Hengxing Ji
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:18 (18) 被引量:44
标识
DOI:10.1002/smll.202200395
摘要

Carbon-based single metal atom catalysts (SACs) are being extensively investigated to improve the kinetics of the Li-S redox reaction, which is greatly important for batteries with cell-level energy densities >500 W h kg-1 . However, there are contradictory reports regarding the electrocatalytic activities of the different metal atoms and the role of the metal atom in LiS chemistry still remains unclear. This is due to the complex relationship between the catalytic behavior and the structure of carbon-based SACs. Here, the catalytic behavior and active-site geometry, oxidation state, and the electronic structure of different metal centers (Fe/Co/Ni) embedded in nitrogen-doped graphene, and having similar physicochemical characteristics, are studied. Combining X-ray absorption spectroscopy, density functional theory calculations, and electrochemical analysis, it is revealed that the coordination-geometry and oxidation state of the metal atoms are modified when interacting with sulfur species. This interaction is strongly dependent on the hybridization of metal 3d and S p-orbitals. A moderate hybridization with the Fermi level crossing the metal 3d band is more favorable for LiS redox reactions. This study thus provides a fundamental understanding of how metal atoms in SACs impact LiS redox behavior and offers new guidelines to develop highly active catalytic materials for high-performance LiS batteries.
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