Single-Atom Catalysts with Unsaturated Co–N2 Active Sites Based on a C2N 2D-Organic Framework for Efficient Sulfur Redox Reaction

多硫化物 催化作用 氧化还原 硫黄 锂(药物) 电化学 化学 分解 阴极 无机化学 离子 化学工程 材料科学 电极 有机化学 物理化学 电解质 医学 工程类 内分泌学
作者
Dawei Yang,Jiaao Wang,Chenjie Lou,Mengyao Li,Chaoqi Zhang,Alberto Ramon,Canhuang Li,Mingxue Tang,Graeme Henkelman,Ming Xu,Junshan Li,Jordi Llorca,Jordi Arbiol,David Mitlin,Guangmin Zhou,Andreu Cabot
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:9 (5): 2083-2091 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.4c00771
摘要

The lithium–sulfur battery (LSB) is a viable option for the next generation of energy storage systems. However, the shuttle effect of lithium polysulfides (LiPS) and the poor electrical conductivity of sulfur and lithium sulfides limit its deployment. Here, we report on a 2D-organic framework, C2N, with a high loading of low-coordination cobalt single atoms (Co-SAs/C2N) as an effective sulfur host in LSB cathodes. Experimental and computational results reveal that unsaturated Co–N2 active sites with an asymmetric electron distribution act as effective polysulfide traps, accommodating electrons from polysulfide ions to form strong Sx2––Co–N bonds. Additionally, charge transfer between LiPS and unsaturated Co–N2 active sites endows immobilized LiPS with low free energy and low electrochemical decomposition energy barriers, thus accelerating the kinetic conversion of LiPS. As a result, S@Co-SAs/C2N-based cathodes exhibit superior rate performance, impressive cycling stability, and good areal capacity at high sulfur loading, 2-fold that of commercial lithium-ion batteries. This work emphasizes the potential capabilities and promising prospects of single-atom catalysts with unsaturated coordination in LSBs.
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