Bimetallic Metal–Organic Framework Catalyst to Accelerate Sulfur Conversion Kinetics for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries

化学 双金属片 硫黄 动力学 催化作用 锂(药物) 无机化学 锂硫电池 化学工程 有机化学 电极 电化学 物理化学 内分泌学 工程类 物理 医学 量子力学
作者
Lu Han,Zheng Luo,Xingbo Wang,Jiaxiang Guo,Yan Xiang,Lin Yang,Jiayi Wang,Wen Liu,Zhongwei Chen
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.4c05376
摘要

Lithium-sulfur (Li-S) batteries are highly attractive due to their exceptional theoretical energy density (2600 Wh kg-1) and low cost. However, their practical deployment is limited by critical issues, including pronounced polysulfide shuttling and slow reaction kinetics. In this study, we report the development of a novel Mo-Zn bimetallic ZIF-8 catalyst designed to address these issues. Compared with pristine ZIF-8, the Mo-ZIF-8 catalyst exhibited an effectively tuned surface area and pore structure, significantly enhancing its ability to trap polysulfides. Moreover, the optimized pore architecture increased the exposure of active sites, strengthening the chemical interactions between Mo-ZIF-8 and sulfur species and thereby accelerating sulfur reaction kinetics. The incorporation of Mo also induced a redistribution of the electronic structure around the Zn active sites, boosting the intrinsic conductivity of the catalyst and reducing the electrochemical diffusion resistance during the redox processes. The synergistic design of Mo-Zn active sites further enhanced the chemical adsorption of lithium polysulfides and catalytic conversion of sulfur species. As a result, Li-S batteries with Mo-ZIF-8-modified separators exhibit minimal capacity decay (0.04% per cycle) over 1000 cycles at 1C. Under a high sulfur loading of 5.8 mg cm-2, they achieve an areal capacity of 5.8 mAh cm-2, retaining 5.0 mAh cm-2 after 100 cycles. These findings highlight the potential of bimetallic metal-organic framework (MOF) catalysts in advancing the Li-S battery performance.
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