Fundamental mechanistic insights into the catalytic reactions of Li─S redox by Co single-atom electrocatalysts via operando methods

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作者
Weixuan Xu,Shuang‐Yan Lang,Kaiyang Wang,Rui Zeng,Huiqi Li,Xinran Feng,Mihail R. Krumov,Seong‐Min Bak,Christopher J. Pollock,Jingjie Yeo,Yonghua Du,Héctor D. Abruña
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:9 (33) 被引量:13
标识
DOI:10.1126/sciadv.adi5108
摘要

Lithium-sulfur batteries represent an attractive option for energy storage applications. A deeper understanding of the multistep lithium-sulfur reactions and the electrocatalytic mechanisms are required to develop advanced, high-performance batteries. We have systematically investigated the lithium-sulfur redox processes catalyzed by a cobalt single-atom electrocatalyst (Co-SAs/NC) via operando confocal Raman microscopy and x-ray absorption spectroscopy (XAS). The real-time observations, based on potentiostatic measurements, indicate that Co-SAs/NC efficiently accelerates the lithium-sulfur reduction/oxidation reactions, which display zero-order kinetics. Under galvanostatic discharge conditions, the typical stepwise mechanism of long-chain and intermediate-chain polysulfides is transformed to a concurrent pathway under electrocatalysis. In addition, operando cobalt K-edge XAS studies elucidate the potential-dependent evolution of cobalt's oxidation state and the formation of cobalt-sulfur bonds. Our work provides fundamental insights into the mechanisms of catalyzed lithium-sulfur reactions via operando methods, enabling a deeper understanding of electrocatalysis and interfacial dynamics in electrical energy storage systems.
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