【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】鈉硫電池因其理論能量密度高(1274 Wh kg−1)以及鈉和硫元素儲量豐富等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強(qiáng)磁場中心王輝研究員、鄭方才研究員在鈉硫電池主族金屬催化劑性能研究中取得突破。他們提出了軸向N配體調(diào)控鈣(Ca)單原子位點(diǎn)電荷局域化策略，提升了鈉硫電池的反應(yīng)性能。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際期刊《自然通訊》(Nature Communications)上。
傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，主族金屬因其具有離域的s/p帶電子結(jié)構(gòu)，對鈉硫電池反應(yīng)缺乏催化活性。因此，調(diào)控主族金屬位點(diǎn)的配位環(huán)境是獲得高活性鈉硫電池催化劑的關(guān)鍵。
針對這一科學(xué)問題，研究團(tuán)隊(duì)采用氨氣熱處理策略，成功制備出高活性Ca單原子催化劑。該策略通過向平面Ca−O−C單原子結(jié)構(gòu)中引入軸向的N配位原子，調(diào)控了Ca單原子位點(diǎn)的p軌道電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了Ca單原子與硫物種之間的p-p軌道雜化相互作用，揭示了Ca單原子對多硫化鈉吸附−催化增強(qiáng)機(jī)制。基于該催化劑的鈉硫電池展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能：在0.2 C的電流密度下循環(huán)100次后，電池容量仍依然保持1211 mAh g−1，并表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
該研究不僅為鈉硫電池主族單原子催化劑的設(shè)計(jì)提供了新思路，也有力證明了單原子配位環(huán)境調(diào)控在增強(qiáng)主族金屬催化活性中的關(guān)鍵作用。該項(xiàng)研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、合肥物質(zhì)院院長基金拔尖培育計(jì)劃、中國科學(xué)院合肥科學(xué)中心協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目、強(qiáng)磁場安徽省實(shí)驗(yàn)室等的資助。
圖1. Ca單原子催化劑的合成示意圖、結(jié)構(gòu)表征及鈉硫電池反應(yīng)機(jī)理圖。
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