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Regulating the Spin State Configuration in Bimetallic Phosphorus Trisulfides for Promoting Sulfur Redox Kinetics

化学 锂(药物) 双金属片 催化作用 化学物理 氧化还原 分子轨道 电子结构 光化学 无机化学 计算化学 有机化学 分子 医学 内分泌学
作者
Hong Li,Mingyan Chuai,Xiao Xiao,Yeyang Jia,Biao Chen,Chuang Li,Zhihong Piao,Zhoujie Lao,Mengtian Zhang,Runhua Gao,Bingkai Zhang,Zhiyuan Han,Jinlong Yang,Guangmin Zhou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (41): 22516-22526 被引量:128
标识
DOI:10.1021/jacs.3c07213
摘要

Lithium-sulfur (Li-S) batteries suffer from sluggish kinetics due to the poor conductivity of sulfur cathodes and polysulfide shutting. Current studies on sulfur redox catalysis mainly focus on the adsorption and catalytic conversion of lithium polysulfides but ignore the modulation of the electronic structure of the catalysts which involves spin-related charge transfer and orbital interactions. In this work, bimetallic phosphorus trisulfides embedded in Prussian blue analogue-derived nitrogen-doped hollow carbon nanocubes (FeCoPS3/NCs) were elaborately synthesized as a host to reveal the relationship between the catalytic activity and the spin state configuration for Li-S batteries. Orbital spin splitting in FeCoPS3 drives the electronic structure transition from low-spin to high-spin states, generating more unpaired electrons on the 3d orbit. Specifically, the nondegenerate orbitals involved in the high-spin configuration of FeCoPS3 result in the upshift of energy levels, generating more active electronic states. Such tailored electronic structure increases the charge transfer, influences the d-band center, and further modifies the adsorption energy with lithium polysulfides and the potential reaction pathways. Consequently, the cell with FeCoPS3/NC host exhibits an ultralow capacity decay of 0.037% per cycle over 1000 cycles. This study proposed a general strategy for sculpting geometric configurations to enable spin and orbital topology regulation in Li-S battery catalysts.
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