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孫永明Nano Lett.: 莫特-肖特基電催化劑控制鋰硫電池中S的氧化還原動力學

由于硫原料的天然豐富性和超高的內(nèi)在能量密度，鋰硫（Li-S）電池引起了巨大的學術(shù)和工業(yè)興趣，然而在高硫負載和貧電解液條件下，存在著硫氧化還原反應(yīng)遲緩的問題。將電催化劑引入硫正極是解決上述問題的有效辦法，但目前很少有研究探索對Mott-Schottky（莫特-肖特基）異質(zhì)結(jié)構(gòu)的催化理解。

在此，華中科技大學孫永明教授等人報道了一種典型的Co@NC異質(zhì)結(jié)構(gòu)，由Co納米顆粒和半導體N摻雜碳基體組成，這種結(jié)構(gòu)被設(shè)計為Mott-Schottky催化劑模型以發(fā)揮其對硫電化學的電催化作用。

理論和實驗結(jié)果揭示了電荷的重新分布和Co@NC異質(zhì)界面處的內(nèi)電場，這對于降低放電和充電過程中多硫化物還原和Li₂S氧化能壘至關(guān)重要。

圖1. Co@NC異質(zhì)結(jié)構(gòu)的物理表征

在Co@NC Mott-Schottky催化劑作用下，Li-S電池在高S負載（10.73 mg cm^-2）和貧電解質(zhì)(E/S=5.9 μL mg^-1)條件下顯示出92.1% 的超高容量保持率和307.8 Wh kg^-1 的系統(tǒng)級重量能量密度。

這表明本研究所提出的莫特-肖特基異質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅加深了對Li-S化學中電催化效應(yīng)的理解，而且還啟發(fā)了先進高能量密度電池的合理催化劑設(shè)計。

圖2. 鋰硫電池的電化學性能

Manipulating Redox Kinetics of Sulfur Species Using Mott-Schottky Electrocatalysts for Advanced Lithium-Sulfur Batteries, Nano Letters 2021. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02161

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