Root-Nodule-Inspired Cobalt Selenide with Sulfur-Doping-Induced Phase Transition for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries

材料科学 催化作用 硒化物 密度泛函理论 化学工程 氧化还原 纳米技术 碳纳米纤维 相变 电子转移 碳纤维 纳米纤维 SN2反应 电子结构 过渡金属 纳米晶 吸附 碲化物 相(物质) 正交晶系 锂(药物) 未成对电子 硫黄
作者
Wei Yan,J. Chen,Abdul Mateen,Lin bin Tang,Junjian Li,Guoxiang Chen,Mei Ya,Zhihao Bao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (3): 4779-4791
标识
DOI:10.1021/acsami.5c19431
摘要

The root-nodule system in legumes enables efficient biological nitrogen fixation through symbiotic interactions and hierarchical mass transport. Inspired by this natural architecture, we synthesized a cobalt selenide (CoSe) catalyst supported on carbon nanofibers (CoSe@C) that mimics this root-nodule structure. This unique design promotes rapid electron transport and facilitates efficient catalytic conversion of lithium polysulfides (LiPSs) to Li2S. Through controlled sulfur doping, the initial hexagonal phase of CoSe (h-CoSe) underwent a phase transition to an orthorhombic structure (o-CoSeS), which exhibited a high-spin state due to an increased density of unpaired electrons in the Co d-orbitals. Density functional theory (DFT) calculations revealed that this electronic configuration enhances orbital hybridization between Co d-orbitals and LiPSs p-orbitals, thereby strengthening LiPS adsorption and accelerating the redox kinetics. When o-CoSeS supported on carbon nanofibers (o-CoSeS@C) was used to modify the separator in lithium-sulfur (Li-S) batteries, the battery delivered an initial discharge capacity of 1509 mAh g-1 at 0.1 C and maintained an ultralow decay rate of 0.057% per cycle over 1000 cycles at 1 C. The exceptional cycling stability stems from the synergy between the biomimetic hierarchical network, which facilitates mass/charge transport, and the optimized electronic structure of the Co active sites, which boosts catalytic activity. This work proposes a novel biomimetic strategy for designing high-performance catalysts for Li-S batteries and provides atomic-level insights into the regulation of transition-metal electronic states for catalytic optimization.
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