陈彪等Angew：优化多硫化钠与单原子铟催化剂的s-p轨道重叠以促进硫氧化还原反应

催化进展 · 公众号 · · 2024-12-17 17:22

正文

第一作者：Guangxuan Wu

通讯作者：陈彪、Ningning Wu

通讯单位：天津大学、河北工业大学

研究背景与内容

p块金属碳负载单原子催化剂（CSACs）由于其高原子利用率和独特的电子结构而成为高性能室温钠硫（RT Na-S）电池的一个有前途的候选材料。然而，多硫化钠（NaPSs）和p-嵌段CSACs之间Na-显性s-p杂化在电子水平上的模糊理解限制了对配位环境调节和电催化活性操纵的精确控制。

本文提出NaPSs中Na的s轨道与p嵌段C-SACs的p轨道之间的s-p轨道重叠度（OOD）作为硫还原反应（SRR）和硫氧化反应（SOR）的描述符。

研究要点

要点1：本文提出了包含NaPSs的s轨道特性和p-block In-based C-SACs的p轨道特性的s-p轨道重叠度（OOD），作为设计高性能RT Na-S电池的优秀In-based C-SACs的描述符。密度泛函理论（DFT）结果表明，氮掺杂石墨烯（NG）的s-p OODs增加到NG-InN₄ SACs和NG-InN₅ SACs，相应的转移电荷增加，表明催化活性也有所提高。

要点2. 实验结果表明，所设计的催化剂能够使硬币电池获得最佳的倍率性能和最小的极化电压。所制备的Na-S袋状电池在2 A g^-1条件下可保持490.7 mAh g^-1的容量，在低电解质/硫（E/S）比为4.5 μl mg^-1时库仑效率（CE）达到96%，可为发光二极管（led）供电。

图1：(a) NG-InN₅ SACs、NG-InN₄ SACs、NG和Na₂Sn之间的s-p OODs对穿梭效应和转化反应动力学的影响示意图。(b) NG-InN₅ SACs、NG-InN₄ SACs的p轨道和Na₂S₄的NG和s轨道的PDOs。(c) NG-InN₅ SACs、NG-InN₄ SACs和添加Na₂Sn的NG的s-p OODs。(d) Na₂Sn与NG-InN₅ SACs、NG-InN₄ SACs和NG之间的电荷较低。

图3：(a) S/NHC-InN₅电池、(b) S/NPC-InN₄电池和(c) S/NHC电池在不同扫描速率（0.2 ~ 1.0 mV S^-1）下的CV曲线等高线图。(d)放电和充电时对应的b值；(e)不同扫描速率（0.2 ~ 1.0 mV S^-1）下电容贡献比。(f) 0.1 A g^-1时的GDC曲线，(g)不同电流密度下的极化电压（0.1 ~ 2.0 A g^-1）， (h) S/NHC-InN₅、S/NPC-InN₄和S/NHC电池的倍率性能。(i)作者的S/NHC-InN₅ SACs与之前报道的RT Na-S电池阴极的倍率能力比较。(j) RT NaS袋式电池示意图。(k) 2.0 A g^-1时袋状电池的放电/充电曲线。插图：为led供电的小袋电池。(l)袋式电池的循环性能。

参考文献：Guangxuan Wu, Tongfeng Liu, Zhoujie Lao. et al. Optimizing s-p Orbital Overlap between Sodium Polysulfides and Single-Atom Indium Catalyst for Efficient Sulfur Redox Reaction. Angew. (2024).

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202422208

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