Controllable sulfur redox multi-pathway reactions regulated by metal-free electrocatalysts anchored with LiS3* radicals

氧化还原 激进的 材料科学 硫黄 催化作用 电化学 锂(药物) 密度泛函理论 纳米技术 组合化学 无机化学 电极 有机化学 化学 冶金 计算化学 医学 物理化学 内分泌学
作者
Yingyue Cui,Wenhao Fang,Junping Zhang,Jin Li,Hui Wu,Zhe Sun,Yingjun Cai,Haitao Zhang,Suojiang Zhang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:122: 109343-109343 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109343
摘要

Regulating sulfur redox kinetics is an effective strategy for addressing the critical issues in lithium-sulfur batteries and improving their comprehensive performance. However, the sluggish and complex sulfur reduction reaction (SRR) kinetics can seriously deteriorate the electrochemical performance of lithium-sulfur batteries, hindering a clear comprehension of the electrocatalytic mechanism and presenting challenges for targeted design. Hence, it is crucial to elucidate the SRR mechanism and further refine the catalytic principle. In this study, the SRR mechanism and the pivotal role of radicals are comprehensively explored using ultrathin nitrogen-oxygen co-doped carbon nanosheets (UN/O-CNS) as an electrocatalytic model, combining density functional theory calculations with experimental techniques, such as X-ray absorption near-edge structure spectroscopy. The abundant N-O active sites of UN/O-CNS can synergistically anchor LiS3* radicals, facilitating efficient multi-pathway sulfur conversion. Additionally, UN/O-CNS can capture and catalyze polysulfides while also bi-directionally catalyzing Li2S. The S@UN/O-CNS cells ultimately demonstrate ultra-long cycling performance and high load capacity. The successful operation in pouch cells validates the practical effectiveness of UN/O-CNS. Overall, this study offers novel insights into the complexity and potential pathways of sulfur redox reaction, providing new perspectives for exploring the catalytic mechanism of cost-effective metal-free electrocatalysts.
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