北京理工大学陈人杰及华东理工大学钮东方---高导电COF@CNT电催化剂促进锂硫电池中的多硫化物转化

Li-S电池中共价有机骨架 (COF) 的催化在很大程度上受到弱化学相互作用和低电导率的阻碍。在此，在碳纳米管（CNT）表面上原位制造了一种新型的基于二酮吡咯并吡咯(DPP)的COF（表示为COF@CNT），以通过其强化学相互作用和高导电性揭示电催化活性。我们发现，通过引入适当含量的CNT（66 wt%），可以最大限度地提高DPP-COF的电催化活性。通过DFT计算、XPS、傅里叶变换红外光谱和拉曼在内的分析表明，DPP部分可以介导由C=O/C-O键合转化所贡献的多硫化物的转化。因此，改进后的锂硫电池在1000次循环后显示出0.042% 的衰减率，并在10 mg cm^-2 硫负载和贫电解液（E/S = 5）下实现了8.7 mAh cm^-2的理想容量。这项工作为为发展担载于基底上的COF复合材料（COF@support）用于各种电催化应用提供经验和帮助。

Figure 1. COF@CNTs的理化参数。(a) Py-DPP-COF的实验和模拟PXRD图案。(b) Py-DPP-COF的固态13 C NMR谱。(c) Py-DPP-COF在77 K下的N₂吸附曲线（插图是孔径分布曲线）。(d) Py-DPP-COF的HR-TEM图像（插图中突出显示了孔）。(e-i)分别为COF16 (e)、COF33 (f)、COF50 (g)、COF66 (h)和COF83 (i)的 SEM图像。

 

igure 2. (a)Py-DPP-COF和COF@CNT复合材料的电子电导率。(b) COF@CNT 改性电池的倍率性能。(c) COF66 改性电池的放电-充电曲线。(d) Py-DPP-COF正极在0.1 A g^-1电流下的循环性能。(e) 0.5C下的循环性能（插图是所选循环的放大图片）。COF50、COF66 和 COF83 改性电池的CV曲线（f）和长期循环性能（g）。

Figure 3. 催化性能。(a)对称电池在 20 mV s^-1扫描速率下的CV测试。(b)Li₂S成核的2.05 V恒电位放电测试。在0.1 mV s^-1的扫描速率下，COF@CNT改性电池的还原过程（c）和氧化过程（d）的LSV曲线；插图是相应的Tafel图。PyDPP-COF的LUMO (e)和最高占据分子轨道(f)构型。(g) DPP@CNT和CNT衬底上从S₈到Li₂S放电过程的能量分布（插图：中间体的优化吸附结构）。(h) DPP@CNT衬底上Li₂S簇分解的能量分布（插图：初始、过渡和最终结构）。

Figure 4. 机制检测。(a) S 2p在放电状态（上）和充电状态（下）下的XPS光谱。(b) COF66改性电池在0.1C电流下的放电-充电曲线，标有a-j的点表示FT-IR 光谱的不同状态，收集在右侧。(c)原位拉曼检测示意图。(d)多硫化物（Li₂S_n，n =4、5、6和8）的模拟拉曼光谱。分别带有Celgard (e，f)和COF66改性(g，h)隔膜的电池的原位拉曼图像和选定的拉曼信号。(e，g)中的红色曲线是具有不同隔膜的电池的电压曲线。

Figure 5. 电池性能。(a)硫负载分别为2.2、3.6和5.8 mg cm^-2时电池的循环性能。 (b) Li-S电池的初始放电-充电曲线。(c)在 0.1C 下 10 mg cm^-2 硫负载的循环性能。参考S7-S21 (d)和参考S22-S32 (e)的COF/MOF 改性隔膜在硫主体方面的电池性能比较。

   相关研究成果由北京理工大学Renjie Chen课题组以及华东理工大学Dongfang Niu、Shuhao An课题组于2021年发表在《ACS Energy Letters》（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c00943）上。原文：A Highly Conductive COF@CNT Electrocatalyst Boosting Polysulfide Conversion for Li-S Chemistry。