标题：Ultrahigh-ContentCo-P Cluster as a Dual-Atom-Site Electrocatalyst forAccelerating PolysulfidesConversion in Li-S Batteries
第一作者：YutongFeng
通讯作者：ChiZhang，Jinhua Yang
研究内容：单原子催化剂(SACs)在加速多硫化锂(LiPS)转化方面表现出较高的催化效率，因此有望抑制锂硫电池(LSBs)中观察到的穿梭效应。然而，催化剂中含量较低的单原子催化位点在很大程度上限制了其催化效果。本研究采用原位低温磷化技术制备了具有原子级分散位点、Co原子含量超高(25.5 wt.%)的氮掺杂碳基体负载Co-P簇(Co-Pcluster/NC)，并将其作为催化多硫化锂转化的双原子位点催化剂。Co-P cluster/NC具有丰富的不饱和Co-P配位，提供Co和P的双原子位点，分别对硫和Li+动态吸附/解吸，协同促进多硫化锂的转化。通过x射线吸收、精细结构测量和密度泛函理论计算等大量表征，证实了双原子位点催化机理。因此，S@Co-Pcluster/NC阴极显示优越的循环和速率性能。即使在6.2 mg·cm−2的高硫负荷下也可以达到6.5 mAh·cm−2的高面积容量，超过大多数商业锂离子电池。本研究为高性能LSBs的新型催化机理的开发开辟了一条新的途径。
要点1：本文采用原位低温磷化法构建氮掺杂碳负载的高含量Co-P原子簇(称为Co-Pcluster/NC)作为双原子位点催化剂，以加速高性能LSBs的LiPS转换。其中P (32.3 wt.%)和Co (25.5 wt.%)含量是单原子Co基催化剂中含量最高的。
要点2：S@Co-Pcluster/NC阴极显示优越的循环和速率性能。即使在6.2 mg·cm−2的高硫负荷下也可以达到6.5 mAh·cm−2的高面积容量，超过大多数商业锂离子电池。
要点3：通过x射线吸收近边结构(XANES)和扩展x射线吸收精细结构(EXAFS)鉴定了Co-P团簇具有原子级分散Co位点和丰富的不饱和键的配位构型(Co1-P2.5)。Co-P cluster/NC中的Co-P配位可以提供Co和P的双原子活性位点，分别协同促进S物种和Li+的吸附/解吸反应，从而提高LiPS转化动力学。
图1.(a)Co-P cluster/NC合成过程示意图; (b) SEM; (c) TEM; (d)SAED; (e) HRTEM和(f) Co-P cluster/NC的SEM-EDX元素映射.
图2.(a)Co-P cluster/NC、CoP3/NC和Co k边参考样品的归一化XANES和(b) k3加权FT-EXAFS曲线; (c) Co-P cluster/NC、CoP3/NC和Co箔的WT-EXAFS图; (d) Co-P cluster/NC在Co k-edge处的k空间EXAFS拟合曲线; (e) Co-P cluster/NC在Co K-edge的k3加权FT-EXAFS拟合曲线.
图3.(a)不同样品在Li2S6溶液中浸泡6h后的紫外-可见吸收光谱.插图:Li2S6吸附实验的光学照片; (b)扫描速率为3 mV·s−1时,不同电极的Li2S6对称电池的CV曲线; (c) EIS; (d) Li2S8阴极电解质在不同电极上2.05 V的恒电位放电分布,用于评估Li2S的成核动力学; (e) 5 mV·s−1下不同电极下硫化物氧化反应的LSV曲线和相应的(f) Tafel曲线.
图4.(a)不同电极的Li-S电池在0.1 mV·s−1扫描速率下的CV曲线; (b) Li-S电池基于不同阴极在0.2 C电流速率下的恒流充放电分布; (c)各电极充放电曲线ΔE和Q2/Q1值; (d)基于不同阴极的锂硫电池在0.2 C电流速率下的循环稳定性试验; (e)不同阴极的锂硫电池在1 C电流速率下的长循环寿命试验; (f)不同阴极的锂硫电池在0.2 C到6 C不同电流密度下的速率性能; (g) S@Co-P cluster/NC阴极在0.1 C高硫负载下的恒流充放电剖面; (h) Li-S电池在S@Co-P cluster/NC高硫负载阴极上的速率性能.
图5. (a) Co-P cluster、CoP3和Co表面上LiPS物种的结合能; (b)Co-P cluster、CoP3和Co表面上LiPS物种的吉布斯自由能分布; (c)Co-P cluster、CoP3和Co表面上Li2S分解的能垒分布; (d)S8、Li2S8、Li2S6、Li2S4、Li2S2在Co-P cluster、CoP3和Co表面上的反应路径; (e)Co-P cluster上从固体S8到可溶性LiPS，最后到固体Li2S的催化转化机理示意图.
参考文献：Feng, Y., Zu,L., Yang, S., Chen, L., Liao, K., Meng, S., Zhang, C., Yang, J.,Ultrahigh-Content Co-P Cluster as a Dual-Atom-Site Electrocatalyst forAccelerating Polysulfides Conversion in Li-S Batteries. Adv. Funct. Mater.2022, 2207579.https://doi.org/10.1002/adfm.202207579