Electron Filling Control Mechanism Triggered by the Penetration Effect in Fe3N/Fe Accelerates Sulfur Redox Kinetics

材料科学 动力学 渗透(战争) 氧化还原 硫黄 电子 化学工程 机制(生物学) 动能 化学物理 冶金 化学 哲学 物理 认识论 运筹学 量子力学 工程类
作者
Tong Li,Kaixiang Shi,Xu Li,Wenzhi Huang,Jincheng Li,Junhao Li,Kaixin Wang,Yujun Deng,H. B. Chen,Yonggang Min,J. Li,Quanbing Liu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202505615
摘要

Abstract This study designs a Fe 3 N/Fe‐NC catalyst with a dual internal‐external structure to address polysulfide conversion in Li‐S batteries. Derived from ZIF precursors, the catalyst features a hollow cavity and star‐like tip structure, where the high‐curvature exterior enhances electron transfer at Fe 3 N/Fe heterointerfaces and stabilizes Fe‐Nx sites for sulfur adsorption. Multivalent Fe increases effective nuclear charge via the penetration effect, promoting 3d orbital electron tunneling into inner layers. This reduces energy levels, populates non‐bonding orbitals with single electrons, and enables efficient d‐p hybridization with minimized antibonding states, strengthening polysulfide interactions. DFT calculations reveal Fe 3 N/Fe's d band center (ɛ d ) proximity to the Fermi level and reduced work function, facilitating charge transfer. The optimized Fe 3 N/Fe‐NC@PP‐based battery exhibits a low capacity decay rate of 0.0603% after 600 cycles at 2C and maintains high capacity under 6.668 mg cm⁻² sulfur loading. The pouch cell delivers an initial capacity of 1511.57 mAh g⁻¹ at 0.1 C with 50 cycle stability.
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