中国科学技术大学 J. Am. Chem. Soc. : 嵌入氮掺杂石墨烯中的单原子钴催化剂助力高硫含量锂硫电池

近年来，采用催化剂促进可溶性多硫化锂(LiPSs)转化为不溶性S(充电过程)或Li2S(放电过程)以降低电解质中LiPSs的含量，进而提高硫利用率和循环寿命。各种纳米催化剂，如铂(Pt)和钴(Co)金属纳米颗粒、氧化物、硫化物和氮化物，均可增强Li-S电池的反应动力学。单原子催化剂(SAC)是负载在固体基底上单分散单原子，理论上具有100 %的原子利用效率，其结合了非均相和均相催化剂的优点。此外，由单原子构成的结构明确的活性中心可作为模型系统，以获得对催化反应途径的深入理解。

近日，中国科学技术大学季恒星教授、武晓君教授、合肥工业大学孔祥华副教授(共同通讯作者)等报道了嵌入氮掺杂石墨烯中的单分散钴原子(Co-N/G)可以触发多硫化锂的表面介导反应，并在J. Am. Chem. Soc.上发表了题为“Cobalt in Nitrogen-Doped Graphene as Single-Atom Catalyst for High-Sulphur Content Lithium-Sulphur Batteries”的研究论文。结合原位X射线吸收光谱和第一性原理计算，作者发现Co-N-C配位中心作为双功能电催化剂分别促进放电和充电过程中Li2S的形成和分解。具有高达90% S质量比的S@Co-N/G复合材料具有1210 mAh·g-1的质量容量以及5.1 mAh·cm-2的面积容量，电极盘上的S负载量为6.0 mg·cm-2时，0.2 C下100个循环后每个循环容量衰减率为0.029 %。

a) Co-N/G的TEM图像；

b) Co-N/G的HAADF-STEM图像；

c) Co-N/G和N/G的高分辨XPS N1s光谱；

d) Co-N/G、Co/G、Co箔和Co3O4的XANES光谱；

e) Co-N/G、Co/G、Co箔和Co3O4的R空间中的FT-EXAFS光谱；

f) Co-N/G的小波变换。

a) Co-N/G、纯S和S@Co-N/G的XRD图谱；

b) 纯S和S@Co-N/G的TG曲线；

c-g) S@Co-N/G的元素分布图像。

a) 具有Co-N/G、N/G、Co/G和rGO电极的对称电池CV曲线；

b) S@Co-N/G、S@N/G、S@Co/G和S@rGO电极的放电曲线；

c) S@Co-N/G、S@N/G、S@Co/G和S@rGO电极的充电曲线；

d) 电化学循环期间S的K边XANS变化；

e) 电化学循环期间峰B的强度(2469.0 eV，代表LiPSs的浓度)和峰D(2474.7 eV，代表Li2S浓度)的演变。

a) 第一性原理计算中使用的N/G和Co-N/G的结构，其中棕色、黄色、绿色、浅蓝色和深蓝色球分别代表C、S、Li、N和Co原子(下同)；

a) S@Co-N/G、S@N/G、S@Co/G和S@rGO电极的充-放电曲线；

b) S@Co-N/G、S@N/G、S@Co/G和S@rGO电极的倍率容量；

c) S@Co-N/G、S@N/G、S@Co/G和S@rGO电极的循环性能；

d) 0.2 C时S面积负载量为2.0、3.4和6.0 mg·cm-2时，S@Co-N/G电极的循环性能。