中科大JACS：高负载锂硫电池的电催化剂设计

第一作者：Guolei Cai、Haifeng Lv

通讯作者：季恒星、武晓君、金松

通讯单位：中国科学技术大学

论文速览

本研究探讨了硫还原反应（SRR）中金属中心中铁原子数量与催化活性之间的关系。研究发现，随着金属中心中铁原子数量的增加，SRR的催化活性呈现出“火山峰”相关性。通过operando X射线吸收和X射线衍射表征，观察到多硫化物的吸附-解吸和电化学转化动力学随着金属中心中铁原子数量的增加而变化。

实验结果表明，具有两个铁原子的金属中心是最优的配置，能够最大化原子利用率，并有效地处理不同中间硫物种的转化，从而使锂硫（Li−S）电池在高硫负载下具有高面积容量。

图文导读

图1：铁基催化剂的结构。通过HADDF-STEM图像、EXAFS光谱的小波变换和FT-EXAFS曲线，比较了1Fe−N/C、2Fe−N/C和3Fe−N/C的结构特征，并模拟了它们的Fe K-edge XANES光谱。

图2：不同铁原子数量催化剂上多硫化物的吸附-解吸过程。通过operando FTEXAFS光谱追踪了Li−S电池在首次充放电循环中铁的局部配位环境的演变。

图3：通过operando XRD测量了硫阴极上硫物种的电化学转化。CV曲线展示了不同催化剂在对称电池中的氧化还原峰，反映了它们的催化活性。

图4：通过第一性原理计算研究了不同铁原子数量催化剂上LiPSs的吸附和转化。展示了硫物种在1Fe−N/C、2Fe−N/C和3Fe−N/C催化剂上的结合能和Li₂S₄还原为Li₂S的自由能图。

图5：评估了不同阴极中铁催化剂对Li−S全电池性能的影响。展示了不同硫阴极的倍率性能、长期循环稳定性和面容量。

总结展望

本研究深入探讨了硫还原反应中催化活性位点的原子结构敏感性。通过实验和理论计算，发现金属中心中铁原子数量与SRR催化活性之间存在显著的相关性。

特别是，二原子铁金属中心因其能够适应不同几何构型以吸附每一步反应中的硫中间体，从而在多硫化物中间体的连续活化中表现出最优的催化活性。这项研究为设计Li−S电池的电催化剂提供了理论基础，并通过实验验证了2Fe−N/C催化剂在实用硫负载条件下促进硫氧化还原动力学的有效性。

该研究强调了在电催化剂设计中平衡原子分散和集合需求的重要性，以提高SRR的动力学，可能对其他电催化系统也有益处。

文献信息

标题：A Volcano Correlation between Catalytic Activity for Sulfur Reduction Reaction and Fe Atom Count in Metal Center

期刊：Journal of the American Chemical Society

DOI：10.1021/jacs.3c14312

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