Engineering atomic Fe sites with asymmetrical nitrogen/sulfur coordination for stable and boosted sulfur conversion

硫黄 杂原子 电化学 化学 金属 催化作用 石墨烯 氧化还原 配位复合体 结晶学 无机化学 纳米技术 电极 材料科学 物理化学 有机化学 戒指(化学)
作者
Lubin Yang,Yukun Pan,Qingli Shu,Huimin Wang,Yongzheng Zhang,Cheng Ma,Jitong Wang,Yayun Zhang,Wenming Qiao,Licheng Ling
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:491: 151938-151938
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.151938
摘要

Introducing nonmetallic heteroatoms into the conventional metal-N-C configuration is thought to be an effective strategy to regulate the coordinated chemistry environment of atomic metal centers and further improve the sulfur electrochemistry behavior in lithium-sulfur batteries. Nevertheless, the modulation of heteroatoms junction states (doped or coordinated) in carbocycle is rarely explored. Herein, based on the stable pre-coordination of Fe3+ and terminal sulfhydryl/amino groups in cysteine, an asymmetrical Fe-N3S1 coordination structure in cysteine-derived graphene (Fe/CG) is rationally designed and prepared. The intervention of S atom at the first-coordination shell of Fe centers could induce the distorted spatial coordination structure, which greatly reduces the Li2S decomposition barrier. Moreover, the bonded S atom increases the d-band center (Ɛda) of Fe and pronouncedly activates the surrounding atoms, enhancing the electronic conductivity and reaction activity/affinity of Fe/CG, which was evidenced through theoretical calculations. The serial electro-kinetic analysis further confirms the bidirectional catalytic effect of Li2S redox conversions on Fe/CG. Consequently, the S@Fe/CG cathodes exhibit outstanding cycling stability (718.8 mAh g−1 after 500 cycles at 1 C with a decay of 0.037 % per cycle) and rate performance (639 mAh g−1 at 4 C). This work provides a new perspective to regulate the local chemistry environment of metal centers via coordination engineering.
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