Axial ligand induces the charge localization of Ca single-atom sites for efficient Na–S batteries

Atom(片上系统) 配体(生物化学) 电荷(物理) 材料科学 化学 物理 原子物理学 结晶学 纳米技术 计算机科学 生物化学 受体 嵌入式系统 量子力学
作者
Fangcai Zheng,Yuhang Zhang,Zhiqiang Li,Yao Ge,Lingzhi Wei,Changlai Wang,Qianwang Chen,Hui Wang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 4372-4372 被引量:27
标识
DOI:10.1038/s41467-025-59437-3
摘要

The main-group s-block metal single-atom catalysts (SACs) are typically regarded as catalytically inactive for sulfur conversion reactions in sodium–sulfur batteries. Herein, we design efficient calcium (Ca) SACs coordinated with one axial N atom and four planar O atoms (Ca-O4N-C) for sodium–sulfur batteries. The axial N ligand induces the charge localization at Ca sites to strengthen p-p orbital-hybridization between Ca centers and sulfur species, which boosts the affinity toward sodium polysulfides (Na2Sn) and simultaneously promotes the conversion kinetics. The Ca-O4N-C@S exhibits superior sulfur conversion activity of 1211 mAh g−1 based on the mass of sulfur at 335 mA g−1 after 100 cycles under a sulfur loading of 1.0 mg cm−2 with an electrolyte of 2M sodium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide in propylene carbonate/fluoroethylene carbonate and an electrolyte-to-sulfur ratio of 70 μL mg−1, which is well-placed among d-block SACs for sodium–sulfur batteries. This work regulates the p orbital charge distribution of Ca SACs for efficient sodium–sulfur batteries. Single-atom catalysts for sodium-sulfur batteries typically use d-block transition metal centers to accelerate polysulfide conversion, while s-block metals are generally considered inactive. Here, authors design a calcium-based single-atom catalyst for sodium-sulfur batteries.
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