![]()
【做计算 找华算】理论计算助攻顶刊，50000+成功案例，全职海归技术团队、正版商业软件版权！
锂硫电池（Li-S）因其高理论容量密度成为新一代储能技术的重要候选者，然而，其实际应用仍面临许多挑战，尤其是多硫化物（LiPSs）还原反应（SRR）的动力学缓慢。SRR是限制锂硫电池性能的关键因素之一，因为在充放电过程中，LiPSs的还原速率缓慢会导致 严重的“穿梭效应”，从而引发活性硫的损失并降低库仑效率。为了解决这个问题，科学家们逐渐开始关注电催化剂在加速SRR中的作用。单原子催化剂（SACs）因其理论上100%的原子利用率和独特的量子尺寸效应，在优化LiPS转化动力学方面展现了巨大的潜力。然而，尽管SACs在催化剂研究中已取得显著进展，但很少有研究探讨SAC与其载体之间的共催化相互作用，这种相互作用对于加速SRR至关重要。基于此，河南大学陈珂教授团队提出了一种将钴单原子催化剂（Co-SAC）负载在石墨氮化碳（GCN）载体上的策略，显著降低了多硫化物（LiPSs）还原反应（SRR）的能量障碍，抑制了穿梭效应，提升了电池的倍率性能与循环稳定性。该研究以“Insights into Co‐Catalytic Single‐Atom‐Support Interactions for Boosting Sulfur Reduction Electrocatalysis”为题，发表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上。陈珂，教授，博士生导师，国家高层次青年人才（2020）、河南省中原基础研究领军人才（2023）入选者。2012年获同济大学博士学位，曾在英国剑桥大学（2012）、北京大学（2013-2018）和美国麻省理工学院（2020）从事博士后或访问学者研究工作。2012年至今在河南大学工作，2020年晋升教授。发表SCI论文50在Nat. Photon.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等国内外著名期刊。1、该研究首次提出了钴单原子催化剂（Co-SAC）和石墨氮化碳（GCN）载体之间的共催化相互作用，揭示了SAC与载体协同作用在提高SRR动力学中的重要性。2、Co-GCN电池在高倍率下展示了卓越的性能，5.0 C下仍能达到718.9 mAh g-1的放电容量。此外，在8.7 mg cm-2的高硫负载下，电池的面容量高达13.8 mAh cm-2。3、通过原位拉曼光谱分析，研究表明Co-GCN电池有效抑制了LiPS的穿梭效应，增强了硫的利用率，改善了电池的循环稳定性。图1 Co-SAC在GCN载体上的均匀分布与LiPSs吸附过程图1展示了钴单原子催化剂（Co-SAC）在石墨氮化碳（GCN）载体上的分布以及其与锂多硫化物（LiPSs）的相互作用。该图通过高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，清楚地展示了Co原子在GCN载体上的均匀分布。元素分布图进一步表明，Co原子是以单原子的形式分散在GCN载体中，而非形成大颗粒。通过DFT计算和X射线吸收精细结构（XAFS）分析，确认了Co原子与GCN载体之间的强相互作用，Co原子与GCN中的氮原子形成了Co-N键。该结构提供了稳定的钴单原子催化剂，能够与LiPSs形成Li-N和Co-S键，增强了LiPSs的吸附和转化，从而优化了硫还原反应（SRR）的动力学。文中还进一步阐明了Co-SAC与GCN载体的协同作用，在锂硫电池中有效抑制了穿梭效应，显著提升了电池的性能。图2 Co-GCN和GCN的电子态密度与LiPSs的吸附能比较图2展示Co-GCN和GCN的电子态密度（DOS）分析以及Co-GCN对LiPSs的吸附能。DOS曲线揭示了Co-GCN在与LiPSs相互作用时的显著变化。Co-GCN的d轨道能级分布更接近费米能级，增强了Co原子与LiPSs之间的电子相互作用，促进了LiPSs的转化。图中还显示了Li2S8和LiPSs在GCN与Co-GCN上的吸附能。Co-GCN表现出比GCN更强的吸附能力，尤其是在LiPSs吸附过程中，Co原子提供了更多的活性位点，与LiPSs形成强力的Li-N和Co-S键。计算结果表明，Co-GCN的吸附能力和催化活性显著高于GCN，进一步证明了Co-SAC与GCN载体之间的协同效应对于提高SRR的催化活性至关重要。图3 Co-GCN电池在SRR中的电化学性能与催化活性评估图3展示了Co-GCN电池在SRR中的电化学性能。图中通过对比不同电极材料（CP@Co-GCN、CP@GCN、无催化剂电极）的循环伏安（CV）曲线，显示了Co-GCN在SRR中的优越性能。Co-GCN电池展现出比GCN电池更高的峰值电流和更低的极化，证明了Co-GCN催化剂在加速LiPS转化反应方面的有效性。此外，图中的Tafel斜率分析显示，Co-GCN电极的Tafel斜率（108 mV dec-1）显著小于GCN电极（124 mV dec-1）和无催化剂电极（221 mV dec-1），这表明Co-GCN电极在SRR过程中具有更快的反应动力学。图3还展示了电子转移数的比较，Co-GCN电极的电子转移数为7.83，远高于GCN电极（5.37）和无催化剂电极（2.14），进一步表明Co-GCN催化剂显著提升了SRR反应的电子转移效率和整体催化性能。图4展示了Co-GCN电池的倍率性能、循环稳定性以及高硫负载下的表现。图中的数据表明，Co-GCN电池在高倍率充放电下表现出极佳的稳定性。特别是在5.0 C倍率下，Co-GCN电池能够维持718.9 mAh g-1的容量，而GCN电池则显示出容量的显著下降。图4还展示了Co-GCN电池的长循环性能，在3.0 C下，Co-GCN电池在1000次循环后容量仅衰减了0.053%每循环，而GCN电池则衰减较快。这些结果表明，Co-GCN电池具有优异的高倍率性能和长周期稳定性，能够有效地提升锂硫电池在实际应用中的表现。图中的高硫负载条件下，Co-GCN电池仍能保持较高的容量，验证了其在大规模应用中的潜力。图5 Co-GCN抑制LiPS穿梭效应的原位拉曼与紫外可见光谱分析图5展示了通过原位拉曼光谱和紫外可见光谱，验证了Co-GCN在抑制LiPS穿梭效应方面的有效性。图中展示了在GCN和Co-GCN修饰的隔膜下，电池在充放电过程中的LiPS信号变化。GCN修饰的电池在放电初期显示出多个LiPS的信号，而Co-GCN修饰的电池则在整个充放电过程中只显示出少量LiPS信号，表明Co-GCN能够显著抑制LiPS的积累和迁移。通过H型电解槽和紫外可见光谱分析进一步验证了这一结果，Co-GCN修饰的隔膜显著减少了LiPS的扩散，证明了其在抑制穿梭效应和提高硫利用率方面的显著优势。本研究提出的钴单原子催化剂（Co-SAC）和石墨氮化碳（GCN）载体之间的共催化机制，显著提高了锂-硫电池的电化学性能。通过降低LiPS转化的能量障碍，Co-GCN电池在高倍率充放电和高硫负载下表现出了优异的速率性能和循环稳定性。尤其是在抑制LiPS穿梭效应方面，Co-GCN电池表现出较常规催化剂更好的抑制效果，从而提高了硫的利用率和电池的循环寿命。Insights into Co-Catalytic Single‐Atom‐Support Interactions for Boosting Sulfur Reduction Electrocatalysis. Angewandte Chemie International Edition, https://doi.org/10.1002/anie.202425144.🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。👏👏👏
