北京
研究内容
室温钠硫（Na-S）电池正在成为一种有前景的下一代储能技术，以低成本提供高能量密度，并利用丰富的元素。然而，多硫化钠的穿梭效应和硫氧化还原反应的缓慢动力学阻碍了它们的实际应用。
河南大学杨大伟/浙江海洋大学周英棠/武汉理工大学张海宁/中国科学院化学研究所辛森/西班牙加泰罗尼亚能源研究所（IREC）Andreu Cabot展示了一种异核双原子催化剂，其特征是铁和钴双金属位点嵌入氮掺杂空心碳纳米球（Fe-Co/NC）中，作为钠硫电池阴极的有效硫主体。基于Fe-Co/NC的阴极表现出优异的循环稳定性（2000次循环后为378 mAh g−1）和令人印象深刻的倍率性能（5 A g−1下为341.1 mAh g–1）。相关工作以“Balancing Electronic Spin State via Atomically-Dispersed Heteronuclear Fe−Co Pairs for High-Performance Sodium−Sulfur Batteries”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。
研究要点
要点1. 作者展示了一种异核双原子催化剂，其特征是铁和钴双金属位点嵌入氮掺杂空心碳纳米球（Fe-Co/NC）中，作为钠硫电池阴极的有效硫主体。像差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜显示存在孤立的Fe-Co原子对，而同步辐射X射线吸收精细结构分析证实了（Fe-Co-N6）配位结构。
要点2. 密度泛函理论计算表明，引入Fe原子会导致Co（II）中的电子离域，使电子构型从低自旋状态转变为高自旋状态。这种转变增强了Co-dz2轨道与硫化钠物种中硫原子的反键π轨道的杂化，从而加速了它们的催化转化。
要点3. 基于Fe-Co/NC的阴极表现出优异的循环稳定性（2000次循环后为378 mAh g−1）和令人印象深刻的倍率性能（5 A g−1下为341.1 mAh g–1）。
研究图文
图1.（a）不同能级下Co/NC和Fe-Co/NC单层分子轨道相互作用的能级图。（b）Co/NC和Fe-Co/NC之间的能级跃迁图。（c）Co的d轨道和S的p轨道之间相互作用的示意图。（d，e）Co/NC（d）和Fe-Co/NiC（e）的自旋密度。棕色球代表碳原子，灰色球代表氮原子，橙色球代表钴原子，绿色球代表铁原子。（f）Co/NC和Fe−Co/NC的自旋密度和自旋矩。
图2.（a）Fe-Co/NC和S@Fe-Co/NC合成的示意图。（b）Fe-Co/NC的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-TEM）。（c）Fe-Co/NiC的AC HAADF-STEM放大图像。红色圆圈显示Fe-Co双原子位点，显示为亮对比双斑点。（d） （c）中黄色方形区域的二维和（e）三维强度分布。（f）HAADF-STEM图像和相应的STEM能量色散X射线分析（EDX）图显示了Fe-Co/NC的元素分布。
图3.不同阴极SSBs的电化学性能。
图4.（a）具有S@Fe-Co/NC、S@Co/NC和S@Fe/NC阴极的Na-S电池循环后的EIS。（b）DRT曲线对应于0%荷电状态（SOC）下S@Fe−Co/NC、S@Co/NC和S@Fe/NC阴极的阻抗数据。（c）Co−Fe/NC电极在不同电压阶段（原始状态→放电至1.5 V→放电至0.8 V）的S 2p XPS。（d）在放电过程中获得的原位时间分辨拉曼光谱和基于Fe-Co/NC阴极的Na-S电池的选定拉曼光谱。（e）NaPSs在Fe-Co/NC（左）和Co/NC基质上的多位点配位机制示意图。
文献详情
Balancing Electronic Spin State via Atomically-Dispersed Heteronuclear Fe−Co Pairs for High-Performance Sodium−Sulfur Batteries
Canhuang Li, Jing Yu, Dawei Yang,* Hao Li, Yapeng Cheng, Yuchuan Ren, Xiaoyu Bi, Jiachen Ma, Ruirui Zhao, Yingtang Zhou,* Jian Wang, Chen Huang, Junshan Li, Ivan Pinto-Huguet, Jordi Arbiol, Haining Zhang,* Sen Xin,* Andreu Cabot*
J. Am. Chem. Soc.
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.4c15408
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