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单分散多金属氧酸盐团簇嵌入到多层石墨烯作为双功能电催化剂助力高效Li-S电池
出处:公众号【纳米人】  录入日期:2022-01-14  点击数:158

  锂硫(Li-S)电池正极发生的氧化还原反应隐藏着各种关键的电催化过程,这些过程对电化学储能系统的性能有很大的影响。
  近日,厦门大学陈嘉嘉教授,董全峰教授报道了研制了一种单分散的多金属氧酸盐分子簇催化剂,将单分散的{Co4W18}团簇均匀嵌入到还原的氧化石墨烯(rGO)上,以带正电荷的聚乙烯亚胺(PEI)为连接剂,通过静电组装的方法形成了{Co4W18}/rGO复合材料。
  本文要点:
  1)研究发现,脱水后的{Co4W18}团簇暴露出多硫化物吸附增强的不饱和钴原子,使LiPS的活化能从原始rGO的0.55 eV降低到{Co4W18}/rGO的0.3 eV。与{Co4W18}和rGO({Co4W18}+rGO)的物理混合物相比,{Co4W18}/rGO复合材料界面电荷转移快,活性中心暴露,可以获得更均匀的Li2S沉积,降低Li2S的活化势垒。因此,{Co4W18}/rGO复合材料可以作为LiPS和不溶性Li2S快速转化的双功能电催化剂,这被认为是Li-S电池中硫氧化还原反应的速率决定步骤。
  2)当{Co4W18}/rGO复合材料用于全Li-S纽扣电池结构下测试时,{Co4W18}/rGO/S正极在2 C(即3.36 A g−1)下循环1000次后,容量衰减率为0.015%。,在硫负载量为5.6 mg cm−2,E/S比为4.5 μL mg−1时,面容量达到4.55 mAh cm−2。此外,基于单面涂层{Co4W18}/rGO/S正极(活性面积为15×4 cm2),硫负载量为3.6 mg cm−2,E/S比为5μL mg−1的Li-S单电极软包电池在0.2 C(即336 mA g−1)下循环100次,比容量约为800 mAh g−1。
  本工作从原子水平阐述了单多金属氧酸盐分子簇催化剂对硫氧化还原反应的催化机理。指出并阐明了催化剂与硫物种之间的本质相互作用。此外,由于POM团簇的结构和化学可调整性,可以建立结构-性质-功能关系,这将为设计除硫转化反应以外的其他催化领域的先进催化剂提供一种有前途的策略。

 

  Lei, J., Fan, XX., Liu, T. et al. Single-dispersed polyoxometalate clusters embedded on multilayer graphene as a bifunctional electrocatalyst for efficient Li-S batteries. Nat Commun 13, 202 (2022)
  DOI: 10.1038/s41467-021-27866-5

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