Cobalto selenizado inspirado en nódulos radiculares con transición de fase inducida por dopaje de azufre para...

Área de la Ciencia:

• Ciencia de Materiales
• Electroquímica
• Catálisis

Sus antecedentes:

• La simbiosis de los nódulos radiculares de las leguminosas proporciona un modelo para el transporte de masa jerárquico y la fijación biológica eficiente de nitrógeno.
• Las baterías de litio-azufre (Li-S) ofrecen una alta densidad de energía teórica, pero sufren problemas como el transporte de polisulfuros y la pobre estabilidad de ciclaje.
• El desarrollo de catalizadores avanzados es crucial para mejorar el rendimiento de las baterías de Li-S facilitando la conversión de polisulfuros y mejorando el transporte de carga.

Objetivo del estudio:

• Diseñar y sintetizar un catalizador biomimético inspirado en los nódulos radiculares de las leguminosas para mejorar el rendimiento de las baterías de litio-azufre.
• Investigar la transición de fase y la modulación de la estructura electrónica del selenuro de cobalto a través del dopaje con azufre.
• Elucidar el mecanismo catalítico del material sintetizado para la conversión de polisulfuros de litio y su impacto en el rendimiento de la batería.

Principales métodos:

• Síntesis de selenuro de cobalto soportado en nanofibras de carbono (CoSe@C) con una estructura jerárquica biomimética.
• Dopaje controlado con azufre para inducir una transición de fase de selenuro de cobalto hexagonal (h-CoSe) a ortorrómbico (o-CoSeS).
• Caracterización de la estructura, fase y propiedades electrónicas del catalizador utilizando técnicas como difracción de rayos X y espectroscopia de fotoelectrones de rayos X.
• Cálculos de Teoría de la Funcionalidad de la Densidad (DFT) para comprender la estructura electrónica y el mecanismo catalítico.
• Fabricación y pruebas electroquímicas de baterías de Li-S utilizando el separador modificado con o-CoSeS@C.

Principales resultados:

• Se sintetizó con éxito un novedoso catalizador biomimético CoSe@C, que imita la arquitectura del nódulo radicular para el transporte de masa jerárquico.
• El dopaje con azufre indujo una transición de fase a o-CoSeS ortorrómbico con un estado de alto espín, mejorando la actividad catalítica.
• Los cálculos de DFT confirmaron que la configuración electrónica de o-CoSeS fortalece la adsorción de polisulfuros de litio (LiPSs) y acelera la cinética redox.
• Las baterías de Li-S con separadores modificados con o-CoSeS@C exhibieron una alta capacidad de descarga inicial (1509 mAh g⁻¹ a 0,1 C) y una notable estabilidad de ciclaje (decaída del 0,057 % por ciclo durante 1000 ciclos a 1 C).

Conclusiones:

• La estructura jerárquica biomimética y el estado electrónico optimizado de o-CoSeS mejoran sinérgicamente la actividad catalítica y el transporte de masa/carga en las baterías de Li-S.
• El estudio demuestra una estrategia novedosa para diseñar catalizadores de alto rendimiento imitando sistemas naturales y ajustando las estructuras electrónicas de los metales de transición.
• Los hallazgos proporcionan valiosas perspectivas a nivel atómico para la optimización de catalizadores en aplicaciones avanzadas de almacenamiento de energía, particularmente en baterías de Li-S.