Nat. Commun.：原子级别的钴作为有效的电催化剂应用于室温钠硫电池

hunli

室温钠硫电池（RT-Na/S batteries），由于具有丰富的来源以及廉价，可以满足大规模应用的前景。RT-Na/S 电池面临有和Li-S电池类似的挑战：可逆容量低和容量衰退快。硫的导电性差以及其与钠的反应动力学缓慢导致其的利用率低、以及不完全产物多硫化物（不是完全还原产物Na2S）是低容量的主要原因。此外，由于多硫化物的溶解，导致活性材料的损失，致使容量快速衰减。因此合理的材料设计是提高硫的反应活性并且减缓多硫化物溶解的主要因素，近年来报道的硫载体（如碳球、导电聚合物等）表现出一定的抑制多硫化物的作用，然后还有很大的进步空间。而原子级金属材料（单原子金属和金属簇）不仅具有优异的电子和反应特性，而且还可以达到最大的原子利用率。如果能够将新型原子金属引入硫载体也许会有不一样的效果，同时也非常具有挑战性。

近期，澳大利亚伍伦贡大学侴术雷和王云晓团队成功地合成了一种高效的硫载体材料——空心碳球（碳壁厚度约为5 nm）上负载的原子级别的钴（图1）。通常情况下，原子级别的金属由于其高能量和不稳定性难以在纯碳材料中形成，然而通过硫的升华，S和Co能够形成Co-S键，从而将原子级Co成功引入S@Con-HC复合材料中。于此同时，Co-S键也能够提高S的反应活性，从而提高其电化学性能。

图1. 合成示意图

S@Con-HC表现出优异的电化学性能，这表明原子级Co能够提高硫的电导率和反应活性，固定多硫化物。其首圈可逆容量高达1081 mA h g-1，硫利用率为64.7%，在100 mA g-1下循环600次后，其还能保持507 mAh g-1的高容量。该结果证实了原子级Co具有比Co纳米颗粒和CoS2纳米颗粒更强的电催化能力。通过CV、原位拉曼，同步辐射XRD和DFT可以深入了解该反应机理。结果表明从Na2S4还原为Na2S的反应速度非常快，因此研究人员对这一现象进行深入分析，并提出一种新的机制：原子级Co可以快速将Na2S4电催化还原为Na2S，从而有效的减缓循环过程中Na2S4的溶解。在AIMD的模拟结果表明Na2S4在Co6簇上能够自发的分解，而纯碳载体却没有发现这种现象。表明在Co6簇存在下Na2S4的分解可以被电催化，这与原位拉曼和同步辐射XRD结果的推测一致。

这项工作将电池和电催化领域联系起来，为电极材料的新颖设计提供了新的探索方向，可推动各种电池技术的发展。这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是澳大利亚伍伦贡大学博士研究生张斌伟。

该论文作者为：Bin-Wei Zhang, Tian Sheng, Yun-Dan Liu, Yun-Xiao Wang, Lei Zhang, Wei-Hong Lai, Li Wang, Jianping Yang, Qin-Fen Gu, Shu-Lei Chou, Hua-Kun Liu, Shi-Xue Dou

Atomic cobalt as an efficient electrocatalyst in sulfur cathodes for superior room-temperature sodium-sulfur batteries

Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-06144-x