Triple-Site Integrated Redox-Active Metal–Organic Cages Enable Complementary Acceleration Mechanisms for Serially Enhancing Sulfur Redox Kinetics

氧化还原 动力学 硫黄 化学 金属 材料科学 无机化学 有机化学 物理 量子力学
作者
Yiqun Xiao,Haibin Lu,Yuan Ouyang,Junhua Yang,Jionghui Rong,Jingqia Weng,Qi Zhang,Shaoming Huang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c10684
摘要

The development of lithium–sulfur batteries (LSBs) is hindered by the shuttle effect of lithium polysulfides (LiPSs) and sluggish sulfur redox reaction (SRR) kinetics. Herein, we integrate multiple functional units (−SH, −NH2, Zr) into metal–organic cages (MOCs) to construct a triple-site integrated MOC (TSI-MOC), synergistically suppress the shuttle effect, and promote the SRR. The −SH-decorated ligand forms a sulfur oligomer with LiPSs, promoting faster reaction pathways. The exposed Zr-based clusters catalyze the conversion of LiPSs, while the −NH2-functionalized ligand adjacent to the metal clusters aids in aggregating LiPSs, further enhancing the catalytic and confinement effects. LSBs with TSI-MOCs deliver a higher discharge capacity (949.7 mAh g–1) and a lower capacity decay rate (only 0.018% at 1 C) compared to those with single-site MOCs (S-MOCs) and dual-site integrated MOCs (DSI-MOCs). The TSI-MOC also enables LSBs with a high areal capacity of 9.08 mAh cm–2 under a high sulfur loading of 9.1 mg cm–2, as well as the stable operation of Li–S pouch cells with a high energy density of 307 Wh kg–1. This work demonstrated the importance of integrating multiple functional sites to improve the chemical interactions between hosts and redox-active intermediates, facilitating the thoughtful design of MOCs for high-performance LSBs.
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