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Polysulfide regulation by defect-modulated Ta3N electrocatalyst toward superior room-temperature sodium-sulfur batteries

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作者
Zhen Zhang,Dan Luo,Jun Chen,Chuyin Ma,Matthew Li,Haoze Zhang,Renfei Feng,Rui Gao,Haozhen Dou,Aiping Yu,Xin Wang,Gaoran Li
出处
期刊:Science Bulletin [Elsevier]
标识
DOI:10.1016/j.scib.2023.11.035
摘要

Resolving low sulfur reaction activity and severe polysulfide dissolution remains challenging in metal-sulfur batteries. Motivated by a theoretical prediction, herein, we strategically propose nitrogen-vacancy tantalum nitride (Ta3N5-x) impregnated inside the interconnected nanopores of nitrogen-decorated carbon matrix as a new electrocatalyst for regulating sulfur redox reactions in room-temperature sodium-sulfur batteries. Through a pore-constriction mechanism, the nitrogen vacancies are controllably constructed during the nucleation of Ta3N5-x. The defect manipulation on the local environment enables well-regulated Ta 5d-orbital energy level, not only modulating band structure toward enhanced intrinsic conductivity of Ta-based materials, but also promoting polysulfide stabilization and achieving bifunctional catalytic capability toward completely reversible polysulfide conversion. Moreover, the interconnected continuous Ta3N5-x-in-pore structure facilitates electron and sodium-ion transport and accommodates volume expansion of sulfur species while suppressing their shuttle behavior. Due to these attributes, the as-developed Ta3N5-x-based electrode achieves superior rate capability of 730 mAh g-1 at 3.35 A g-1, long-term cycling stability over 2000 cycles, and high areal capacity over 6 mAh cm-2 under high sulfur loading of 6.2 mg cm-2. This work not only presents a new sulfur electrocatalyst candidate for metal-sulfur batteries, but also sheds light on the controllable material design of defect structure in hopes of inspiring new ideas and directions for future research.
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