Crystal Void Fraction‐Engineered Fe‐S Catalysts for Self‐Sustaining Li‐CO 2 Mars Batteries

材料科学 原子轨道 结晶学 化学物理 轨道重叠 空隙(复合材料) 催化作用 Crystal(编程语言) 密度泛函理论 晶体结构 化学工程 纳米技术 费米能级 多孔性 空位缺陷 单晶 费米能量 阴极 无机化学 化学
作者
Tianchen Wei,Leyi Su,Liang Wu,Yuchun Liu,Yuxin Xiao,Xingwu Zhai,Zhixin Sun,Jing Zhang,Xinyun Wang,Cong Han,Ziyu Li,Min Zhou
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:: e6292528-e6292528
标识
DOI:10.1002/anie.6292528
摘要

ABSTRACT Efficient energy storage is vital for self‐sustaining Martian exploration. Li‐CO 2 batteries are promising by utilizing the Martian atmosphere (∼95% CO 2 ) as active materials. Fe‐S minerals, abundant on Mars, offer a viable candidate for cathode catalysts, yet their structural diversity necessitates a rational selection criterion. Here, we propose crystal void fraction as a governing descriptor correlating with affinity toward critical oxygen‐containing species, Li 2 CO 3 and singlet oxygen ( 1 O 2 ). Higher void fraction with decreased Fe‐S 6 octahedra packing density upshifts the d‐band center and brings the z‐containing orbitals closer to the Fermi level. Given the pronounced O‐2p z character of Li 2 CO 3 band‐edge states and the π* orbital of 1 O 2 frontier orbital, symmetry matching along surface orbitals with z‐directional components strengthens orbital coupling, correlating higher crystal void fractions with increased affinity for oxygen‐containing species. Crucially, this affinity exhibits a dual role. High void fraction promotes Li 2 CO 3 decomposition but 1 O 2 ‐induced catalyst degradation, while low void fraction exhibits the opposite tendency. Marcasite with moderate void fraction achieves an optimal balance, achieving 88% energy efficiency and 1000 h cycle life. This work establishes crystal void fraction as a predictive metric for screening suitable catalysts for achieving activity‐stability trade‐off, and provides a promising landscape for in‐situ resource utilization on Mars.

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