Oxygen Defect‐Rich WO3−x–W3N4 Mott–Schottky Heterojunctions Enabling Bidirectional Catalysis for Sulfur Cathode

材料科学 异质结 催化作用 氧化还原 硫黄 氧气 阴极 电负性 无机化学 化学工程 物理化学 光电子学 化学 工程类 生物化学 有机化学 冶金
作者
Dan Zhang,Tengfei Duan,Yixin Luo,Sisi Liu,Wanqi Zhang,Yongqian He,Kai Zhu,Li Huang,Yue Yang,Ruizhi Yu,Xiukang Yang,Hongbo Shu,Yong Pei,Xianyou Wang,Manfang Chen
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (42) 被引量:98
标识
DOI:10.1002/adfm.202306578
摘要

Abstract The serious shuttle effect and intrinsically sluggish oxidation–reduction reaction kinetics of polysulfides severely hinder the practical commercialization of lithium–sulfur (Li–S) batteries. Herein, oxygen‐defect‐rich WO 3− x –W 3 N 4 Mott–Schottky heterojunctions are designed as efficient catalysts. Based on theoretical calculations and comprehensive experimental characterization, WO 3− x –W 3 N 4 exhibits a lower free energy change (1.03 eV) and Li 2 S decomposition energy barrier (0.92 eV) than WO 3 and W 3 N 4 , which significantly enhances the sulfur reduction reaction (SRR) activity. Furthermore, a relationship between the catalytic activity and the energy gaps in the d and p bands centers (Δ d–p ) is also established, with the low Δ d–p of the heterojunction leading to a lower antibonding state energy, which promotes electron transfer and interfacial redox kinetics. Oxygen vacancies can improve the catalytic effect without affecting adsorption. Hence, the Li–S battery using WO 3− x –W 3 N 4 @CC/S exhibited outstanding rate and duration performance (913.9 mAh g –1 at 2 C, stable 400 cycles at 1 C). Impressively, the battery achieves a high areal capacity of 5.0 mAh cm −2 under a high sulfur loading of 4.98 mg cm −2 .
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