d-p Hybridization-Induced “Trapping–Coupling–Conversion” Enables High-Efficiency Nb Single-Atom Catalysis for Li–S Batteries

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作者
Yan Zhang,Cong Kang,Wei Zhao,Yajie Song,Jiaming Zhu,Hua Huo,Yulin Ma,Chunyu Du,Pengjian Zuo,Shuaifeng Lou,Geping Yin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (3): 1728-1739 被引量:76
标识
DOI:10.1021/jacs.2c10345
摘要

Single-atom catalysts have been paid more attention to improving sluggish reaction kinetics and anchoring polysulfide for lithium-sulfur (Li-S) batteries. It has been demonstrated that d-block single-atom elements in the fourth period can chemically interact with the local environment, leading to effective adsorption and catalytic activity toward lithium polysulfides. Enlightened by theoretical screening, for the first time, we design novel single-atom Nb catalysts toward improved sulfur immobilization and catalyzation. Calculations reveal that Nb-N4 active moiety possesses abundant unfilled antibonding orbitals, which promotes d-p hybridization and enhances anchoring capability toward lithium polysulfides via a "trapping-coupling-conversion" mechanism. The Nb-SAs@NC cell exhibits a high capacity retention of over 85% after 1000 cycles, a superior rate performance of 740 mA h g-1 at 7 C, and a competitive areal capacity of 5.2 mAh cm-2 (5.6 mg cm-2). Our work provides a new perspective to extend cathodes enabling high-energy-density Li-S batteries.
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