北工大王宁教授&中南大学韦伟峰教授AM：设计Fe–N配位结构促进Li

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北工大王宁教授&中南大学韦伟峰教授AM：设计Fe–N配位结构促进Li–S电池快速氧化还原反应动力学

科学材料站

2021-06-26

导读：该工作提出了一种集成催化剂设计思路，将平面对称Fe-4N配位结构的单原子Fe（SA-Fe）和空间三角锥Fe-3N配位结构的Fe2N纳米颗粒同时负载在氮掺杂碳纳米片（NG）上。

文章信息

加速锂硫电池氧化还原转换的Fe-N配位结构合理设计

第一作者：马骋

通讯作者：王宁*，韦伟峰*

单位：北京工业大学，中南大学

研究背景

锂硫电池由于其成本低、环境友好、比容量及能量密度高被视为是极具潜力的锂离子电池替代品。

然而，锂硫电池体系中活性物质硫和硫化锂（Li2S/Li2S2）的绝缘特性、多电子/多相硫电化学转化机制引发的多硫化物（Li2Sn, n=4~8）溶解穿梭以及较差的氧化还原动力学严重制约了锂硫电池的商业化应用。

合理构建功能性催化剂材料以优化锂硫电池中多硫化物吸附-催化过程是解决上述问题的有效策略之一。此外，高硫负载性能也是评价功能性催化材料是否可行的重要参考信息。

文章简介

基于此，中南大学韦伟峰教授与北京工业大学王宁教授合作，在国际知名期刊Adv. Mater. 上发表题为“Engineering Fe–N Coordination Structures for Fast RedoxConversion in Lithium–Sulfur Batteries”的研究论文。

该工作提出了一种集成催化剂设计思路，将平面对称Fe-4N配位结构的单原子Fe（SA-Fe）和空间三角锥Fe-3N配位结构的Fe2N纳米颗粒同时负载在氮掺杂碳纳米片（NG）上。

SA-Fe和Fe2N作为双活性位点能够协同提升多硫化物锚定能力及催化加速双向液固转换反应（Li2SnLi2S, 4≤n≤8），从而促进了多硫化物快速氧化还原转化并抑制了其溶解穿梭效应。

基于此，SA-Fe/Fe2N@NG改性隔膜促使Li–S电池在1 C（纯硫正极，硫含量为70 wt%）下循环500圈后容量保持率提升至84.1%，0.1 C电流密度下循环100圈后面容量仍然高达5.02 mAh cm-2（SA-Fe/Fe2N@NG改性硫正极，硫负载量为5 mg cm-2）。

图1多硫化物在NG、SA-Fe@NG及SA-Fe/Fe2N@NG上吸附/转化机理示意图及SA-Fe/Fe2N@NG合成流程示意图。

本文要点

要点一：具有双活性位点集成催化剂设计及不同Fe-N配位结构合理构建

通过球差矫正扫描透射显微镜及高分辨同步辐射X射线吸收谱证明了SA-Fe及Fe2N纳米颗粒同时存在于SA-Fe/Fe2N@NG集成催化剂中，分别具有平面对称Fe-4N配位结构及空间三角锥Fe-3N配位结构

图2 同步辐射X射线吸收谱表征结果及SA-Fe和Fe2N对应结构模型

要点二：SA-Fe和Fe2N可作为协同位点提升多硫化物锚定作用并催化加速双向液固转换反应（Li2SnLi2S, 4≤n≤8）

结合电化学测试和DFT理论计算证明了SA-Fe中平面对称的Fe-4N配位结构主要作用于长链多硫化物Li2Sn的还原，而Fe2N中空间三角锥型的Fe-3N配位结构对Li2S的分解有明显催化作用。

此外，极性Fe2N对多硫化物具有较强的吸附能力和快速电荷转移能力，使得多硫化物能够在催化活性中心富集而进行即时快速的电化学转换。

图3 多硫化物化学吸附及其还原和分解反应能垒计算结果

要点三：SA-Fe/Fe2N@NG改性隔膜获得了最优的多硫化物吸附-催化转化活性并建立了稳健的多硫化物阻隔层，显著提升了Li-S电池电化学性能

得益于SA-Fe/Fe2N@NG改性隔膜较强的多硫化物吸附锚定能力及双向催化反应活性，所装配的Li-S电池具有高度可逆的硫氧化还原反应特性，在1 C及4 C电流密度下循环500圈后容量保持率分别高达84.1%和82.6%。

采用SA-Fe/Fe2N@NG-S复合硫正极及SA-Fe/Fe2N@NG改性隔膜装配Li-S电池在高硫载量3 mg/cm2和5 mg/cm2及0.1 C电流密度下循环100圈后可逆比容量仍高达3.09和5.02 mAh/cm2。

图4 Li-S电池电化学性能测试结果

要点四：研究结果为锂硫电池高效催化剂设计构建提供了参考

此研究为Fe-N配位结构设计提供了新的见解，也揭示了一种新的策略：将不同的活性位点整合为一个单一集成催化载体，有效解决了多相/多电子硫电化学反应复杂性。

文章链接

Engineering Fe–N Coordination Structures for Fast Redox Conversion in Lithium–Sulfur Batteries

https://doi.org/10.1002/adma.202100171

通讯作者介绍

王宁教授.

北京工业大学高层次人才计划“优秀人才”，校聘研究员、博士生导师。2014年博士毕业于四川大学，2012年至2017年在清华大学魏飞教授和骞伟中教授课题组从事研究工作，2017年至2020年在沙特阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)韩宇教授课题组从事博士后研究工作，2021年1月加入北京工业大学。长期从事新型催化剂设计及应用研究，包括应用于二氧化碳催化转化反应及C1(甲烷、甲醇等)芳构化的催化剂研制、机理研究，可控制备高活性、高稳定性的新型催化材料。以第一/通讯作者身份在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Cell Rep. Phy. Sci., ACS Catal., Appl. Catal. B等学术刊物发表研究论文34篇，被引用3000余次，H因子31。

韦伟峰教授.

中南大学粉末冶金国家重点实验室教授、博士生导师、副院长。2008年12月在加拿大阿尔伯塔大学化学材料工程系获得博士学位；2009年～2011年在美国麻省理工学院（MIT）材料科学与工程系进行博士后研究；于2011年10月以“升华学者”特聘教授加入中南大学粉末冶金国家重点实验室。2011年入选“升华学者”特聘教授和教育部“新世纪优秀人才计划”。长期从事新型电化学能源材料应用基础研究，主要研究方向为全固态二次电池材料及器件。近年来，主持了包括国家自然科学基金、科技部新能源汽车重大专项课题、教育部博士点基金、重点横向开发课题等10多项科研项目。在Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，ACS Energy Lett., Nano Energy，Energy Storage Mater.等国际权威期刊发表SCI论文80余篇；申请国家发明专利20余项，已授权10项。担任学术期刊Progress in Natural Science: Materials International、ES Energy & Environment编委。