Molybdenum Carbide Electrocatalyst In Situ Embedded in Porous Nitrogen‐Rich Carbon Nanotubes Promotes Rapid Kinetics in Sodium‐Metal–Sulfur Batteries

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作者
Hongchang Hao,Yixian Wang,Naman Katyal,Guang Yang,Hui Dong,Pengcheng Liu,Sooyeon Hwang,Mantha Sai Pavan Jagannath,Graeme Henkelman,Yixin Xu,J. Anibal Boscoboinik,Jagjit Nanda,David Mitlin
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (26): e2106572-e2106572 被引量:73
标识
DOI:10.1002/adma.202106572
摘要

Abstract This is the first report of molybdenum carbide‐based electrocatalyst for sulfur‐based sodium‐metal batteries. MoC/Mo 2 C is in situ grown on nitrogen‐doped carbon nanotubes in parallel with formation of extensive nanoporosity. Sulfur impregnation (50 wt% S) results in unique triphasic architecture termed molybdenum carbide–porous carbon nanotubes host (MoC/Mo 2 C@PCNT–S). Quasi‐solid‐state phase transformation to Na 2 S is promoted in carbonate electrolyte, with in situ time‐resolved Raman, X‐ray photoelectron spectroscopy, and optical analyses demonstrating minimal soluble polysulfides. MoC/Mo 2 C@PCNT–S cathodes deliver among the most promising rate performance characteristics in the literature, achieving 987 mAh g −1 at 1 A g −1 , 818 mAh g −1 at 3 A g −1 , and 621 mAh g −1 at 5 A g −1 . The cells deliver superior cycling stability, retaining 650 mAh g −1 after 1000 cycles at 1.5 A g −1 , corresponding to 0.028% capacity decay per cycle. High mass loading cathodes (64 wt% S, 12.7 mg cm −2 ) also show cycling stability. Density functional theory demonstrates that formation energy of Na 2 S x (1 ≤ x ≤ 4) on surface of MoC/Mo 2 C is significantly lowered compared to analogous redox in liquid. Strong binding of Na 2 S x (1 ≤ x ≤ 4) on MoC/Mo 2 C surfaces results from charge transfer between the sulfur and Mo sites on carbides’ surface.
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