第一作者：Yifan Ding;Qiushi Cheng;Jianghua Wu
通訊作者：Jingyu Sun
通訊單位：蘇州大學(xué)
研究內(nèi)容：
鋰硫 (Li-S) 電池以其高能量、低成本等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是下一代電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的候選電池。然而，其發(fā)展受到嚴(yán)重的多硫化物穿梭和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)遲緩的困擾。雖然單原子催化劑 (SACs) 已成為加速硫氧化還原化學(xué)的一種有希望的方法，但單原子負(fù)載量較低、原子利用率較低和難以實(shí)現(xiàn)的催化途徑阻礙了SACs的實(shí)際應(yīng)用。在這項(xiàng)工作中，通過生物模板合成在 3D 分層 C3N4 結(jié)構(gòu) (3DFeSA-CN) 上制作了具有高負(fù)載能力的不飽和 Fe 單原子。通過電動(dòng)分析和理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)3DFeSA-CN利用強(qiáng)大的電催化活性來促進(jìn)雙向硫氧化還原。S@3DFeSA-CN 可以保持持久的循環(huán)性能，它還可以在 1.0 C 下收獲超過 2000 次循環(huán)的高容量保留率，0.031% 的衰減可忽略不計(jì)。組裝的 Li-S 電池的硫負(fù)載量為 5.75 mg cm -2 可以獲得 6.18 mAh cm-2 的高面積容量。 這項(xiàng)工作為優(yōu)化 SAC 的碳質(zhì)載體和配位環(huán)境提供了一種有前景的解決方案，從而最終提高了實(shí)用 Li-S 電池中的雙向硫氧化還原。
要點(diǎn)一：
本研究使用硅藻土模板策略來制造分散在生物形態(tài) 3D 分層 C3N4 載體 (3DFeSA-CN) 上的單原子 Fe-N2 物種，利用 6.32 wt% 的 Fe 負(fù)載能力。這種生物模板化策略可以防止碳質(zhì)載體的堆積，從而顯著提高鐵的負(fù)載能力和原子利用率。如此制造的 3DFeSA-CN 繼承了硅藻土模板獨(dú)特的層次結(jié)構(gòu)，不僅有利于離子/電子傳輸，還可以減輕體積變化，從而在電化學(xué)循環(huán)過程中保持電極的完整性。
要點(diǎn)二：
具有不飽和配位環(huán)境和偏離電子結(jié)構(gòu)的 Fe-N2 部分可以顯著增強(qiáng) LiPS 的化學(xué)吸附和催化轉(zhuǎn)化，最終促進(jìn)氧化還原動(dòng)力學(xué)并減輕穿梭效應(yīng)。這項(xiàng)工作為在Li-S系統(tǒng)工作的具有強(qiáng)大的電催化能力SAC的形態(tài)學(xué)設(shè)計(jì)和電子調(diào)制開辟了一條新的途徑。
圖1. a) 多硫化物在 CN 和 3DFeSA-CN 基質(zhì)上的吸附/轉(zhuǎn)化行為示意圖。b) 3DFeSA-CN 的合成過程。
圖2. a,b) 3DFeSA-CN 的 SEM 圖像。c,d) 3DFeSA-CN 的 TEM 圖像。e) 3DFeSA-CN 的 HRTEM 圖像。插圖：相應(yīng)的 FFT 模式。f) 3DFeSA-CN 的 HAADF-STEM 圖像。g）HAADF-STEM 圖像和 h-k）3DFeSA-CN 的相應(yīng)元素圖。
圖3. a) 3DFeSA-CN、FeSA-CN 和 CN 的 XRD 圖譜。b) 3DFeSA-CN、FeSA-CN 和 CN 的 N2 吸附/解吸等溫線。c) 3DFeSA-CN 的 XPS N 1s 光譜。d) 3DFeSA-CN 的 XPS Fe 2p 光譜。e) XANES 和 f) 3DFeSA-CN、FePc、Fe 箔和 Fe2O3 的 FT-EXAFS 光譜。g-j) 3DFeSA-CN、FePc、Fe 箔和 Fe2O3 的 Fe K 邊緣的 WT 等值線圖。
圖4. a-c）Li2S8 溶液分別在 3DFeSA-CN/CP（a）、FeSA-CN/CP（b）和 CN/CP（c）上的恒電位放電曲線。插圖：沉淀的 Li2S 的 SEM 圖像。d-f) 添加 Li2S6 電解質(zhì)的 3DFeSA-CN/CP (d)、FeSA-CN/CP (e) 和 CN/CP (f) 對(duì)稱電池的 CV 曲線，掃描速率為 0.5 mV s-1 。g) 3DFeSA-CN/CP、FeSA-CN/CP 和 CN/CP 對(duì)稱電池在 50 mV s-1 掃描速率下的 CV 曲線。h) 3.5 mmol L-1 Li2S6 溶液中的紫外-可見吸收光譜。插圖：可視化吸附測(cè)試的數(shù)碼照片：(1) 裸 Li2S6、(2) CN/Li2S6、(3) FeSA-CN/Li2S6 和 (4) 3DFeSA-CN/Li2S6。i) CV 曲線的陽極掃描。插圖：固液氧化過程的相應(yīng)塔菲爾圖。
圖5. a) S@3DFeSA-CN、S@FeSA-CN 和 S@CN 電極在 0.05 mV s-1 時(shí)的典型 CV 曲線。b) 0.2 C 時(shí)的 GCD 曲線。c) S@3DFeSA-CN、S@FeSA-CN 和 S@CN 電極的倍率性能。d) 0.2 C 下 200 次循環(huán)的循環(huán)性能。e) S@3DFeSA-CN 電極在 1.0 C 下 2000 次循環(huán)的長循環(huán)性能。f) S@3DFeSA-CN 電極在硫負(fù)載量為 5.75 mg cm-2 時(shí)的循環(huán)性能。g）本工作（S@3DFeSA-CN）與之前報(bào)道的各種 SAC 研究之間的單原子含量和容量衰減率的比較。
圖6. a) Li2S 在 3DFeSA-CN 和 CN 上的優(yōu)化配置。b) 3DFeSA-CN 和 CN 上多硫化物還原和 Li2
