缺陷石墨烯负载单原子催化剂的高通量筛选及其在锂硫电池正极材料中的协同效应研究

《Journal of Colloid and Interface Science》：High-throughput screening of single-atom catalysts on defective graphene for advanced lithium-sulfur battery cathodes

本综述创新性地提出将缺陷工程与单原子催化剂（SAC）相结合的双重策略，通过高通量密度泛函理论（DFT）计算，系统筛选了200种缺陷-SAC结构（M-N4，M为3d过渡金属），揭示了石墨烯本征缺陷（双空位DV、Stone-Wales SW）与SAC的协同作用可显著增强对多硫化锂（LiPS）的锚定能力和催化转化效率，为设计高性能锂硫（Li-S）电池正极材料提供了新思路。

　　

Highlight

我们的高通量DFT筛选揭示了200种缺陷-SAC结构中大多数具有负的形成能，表明它们在能量上是有利的。更重要的是，我们确定了一个最佳吸附能窗口，表明过弱或过强的吸附都对催化效率不利。为了进一步评估催化性能，我们引入了累积转化能（CCE），该指标捕捉了LiPS转化为Li₂S/Li₂S₂的关键步骤，以比较不同宿主材料的催化性能。总体而言，基于Fe和V的缺陷-SACs表现出优异的催化转化能力和最佳吸附能，可有效缓解穿梭效应。

方法

在本研究中，所有计算均使用SIESTA软件包进行自旋极化DFT计算。为了表示电子波函数，使用了双zeta加极化（DZP）的数值原子轨道（NAO）基组。核电子与价电子之间的相互作用由Troullier–Martins模守恒赝势描述，交换关联效应采用广义梯度近似下的Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）泛函近似。

结构和形成能

根据热力学第二定律，石墨烯合成过程中缺陷的形成是不可避免的。这些缺陷也可以通过缺陷工程有意制造。通常，这些缺陷涉及六元环向五元环（5）、七元环（7）和八元环（8）的转变。在本研究中，我们通过包含DV缺陷和SW缺陷，分析了具有M-N₄配位（M = Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn）的SACs与石墨烯缺陷（缺陷-SAC）的组合。

结论

总之，我们应用密度泛函理论（DFT）研究了石墨烯缺陷（双空位和Stone–Wales）与3d过渡金属单原子催化剂（SACs）之间的协同相互作用。通过筛选200种缺陷-SAC构型并分析其形成能，以及300种吸附构型，我们评估了这些构型的稳定性及其与多硫化锂（LiPS）的相互作用。结果表明，缺陷和SACs的结合可以产生协同效应，显著增强LiPS的吸附并改善催化性能，为先进锂硫电池正极材料的设计提供了有价值的见解。