Constructing Orbital Coupling-Modulated Homogeneous Dual-Atom Fe–Fe Sites for Boosting Bidirectional Conversion of Polysulfides

催化作用 材料科学 原子轨道 Atom(片上系统) 分子轨道 化学物理 吸附 电子 物理化学 化学 分子 物理 计算机科学 嵌入式系统 生物化学 有机化学 量子力学
作者
Shuai Zhang,Youquan Zhang,Li Ma,Cheng Ma,Chunxiao Zhang,Yiman Xie,Yuejiao Chen,Libao Chen,Liangjun Zhou,Weifeng Wei
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (26): 33527-33538
标识
DOI:10.1021/acsami.4c05792
摘要

Homogeneous dual-atom catalysts (HDACs) have garnered significant attention for their potential to overcome the shuttling effect and sluggish reaction kinetics in lithium–sulfur (Li–S) batteries. However, modulating the electron structure of metal atomic orbitals for HDACs to dictate the catalytic activity toward polysulfides has remained meaningful but unexplored so far. Herein, an interfacial cladding strategy is developed to obtain a new type of dual-atom iron matrix with a unique FeN2P1–FeN2P1 coordination structure (Fe2@NCP). The 3d orbital electrons of the Fe centers are redistributed by incorporating phosphorus atoms into the first coordination sphere. The theoretical calculations disclose that the strong coupling between the Fe d orbital and the S p orbital exhibits an enhanced Fe–S bond and improved reactivity toward polysulfides. Moreover, the Fe2@NCP catalyst achieves robust adsorption ability toward Li2Sn (1 ≤ n ≤ 8) and significantly boosts bidirectional sulfur redox reaction kinetics by lowering the Li2S deposition/decomposition energy barriers. Consequently, the assembled Li–S batteries present a high retention ratio of 77.3% after 500 cycles at 1C. Furthermore, the Li–S pouch cell also exhibits good performance at 0.1C (80.2% retention over 100 cycles) for practical application with a sulfur loading of 4.0 mg/cm2. The outcome of this study will facilitate the design of homogeneous dual-atom catalysts for Li–S batteries.
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