原标题：JACS报导：「同步辐射」单原子钴催化剂助力高硫含量锂硫电池
近年来，选用催化剂加快可溶性LiPS转化为不溶性S（充电进程）或Li2S（放电进程）的转化率，可削减电解质中LiPS的含量，以进步S的运用率和循环寿数。其间，单原子催化剂(SAC)是负载在固体基底上单涣散的单原子，理论上具有100 %的原子运用功率，其结合了非均相和均相催化剂的长处。此外，由单原子构成的结构清晰的活性中心可作为模型体系，以取得对催化反响途径的深化了解。因而，具有与碳基质(M-N-Cs）中的氮部分相互作用的原子过渡金属的复合物因为其高导电性和优胜的活性，而被用于氧复原反响、析氢和CO2复原的电催化剂。
近来，中国科学技术大学季恒星教授、武晓君教授和合肥工业大学孔祥华副教授等报导了氮掺杂石墨烯中的单涣散钴原子(Co-N/G)能够触发多硫化锂的外表介导反响。首要通过HAADF-STEM，XANES和EXAFS阐明晰SAC的形状和配位构型，然后结合原位XAS和DFT核算，作者发现Co-N-C配位中心作为双功用电催化剂别离促进放电和充电进程中Li2S的构成和分化。具有高达90% S质量比的S@Co-N/G复合资料具有1210 mAh·g-1的质量容量以及5.1 mAh·cm-2的面积容量，电极盘上的S负载量为6.0 mg·cm-2时，0.2 C下100个循环后每个循环容量衰减率为0.029 %。
【本文亮点】
✦ 作者制备Co-N/G样品，并通过SEM、HAADF-STEM、XPS、XANES等对其精细结构进行表征。
✦ 通过熔融涣散法将元素S浸渍在Co-N / G主体中，并用X射线衍射（XRD）表征S晶体的存在方式，热重剖析显现含硫量高达90%。
✦第一性原理核算了解改进S@Co-N/G正极充电/放电反响动力学的原因。
首要通过在氨（NH3）和氩（Ar）气流下热处理GO和氯化钴（II）的混合物来制备Co-N/G，并对其进行形状和结构表征，如图1。运用SEM、TEM表征其微观形状，HAADF-STEM显现单原子Co随机地涣散在石墨烯上。接着用XPS表征其间N主要以吡啶N的方式与Co原子结合，XANES和EXAFS进一步表征其间Co原子的化学状况和配位环境，证明Co原子通过与N的相互作用以单涣散方式存在而且出现正电价态。。
图1（a）TEM和（b）Co-N/G的HAADF-STEM图画。（c）Co-N/G和N/G的高分辨率XPS N 1s光谱。（d）XANES和（e）用于Co-N/G的R空间中的FT-EXAFS和Co/G，Co-箔和Co3O4等对照样品。（f）Co-N/G的小波改换。
通过熔融涣散法将元素S浸渍在Co-N / G主体中，得到负载S的Co-N/G（S Co-N/G），其表征如图2。XRD显现其可归属于正交晶S8的晶体结构，热重试验显现其间S含量为~90%，S@ Co-N/G复合资料的形状与S、C、N和Co元素的mapping图如图所示，提醒了复合资料的化学成分和均匀元素散布。
图2（a）Co-N/G，纯S和S Co-N/G的XRD图谱。（b）纯S和S@Co-N/G的TG曲线。（c-g）S@ Co-N/G的mapping。
为了提醒Co-N/G载体对LiPSs电化学转化的影响，作者研讨了液相中多硫化物复原氧化反响对Co-N/G、N/G、Co/G和复原氧化石墨烯(rGO)电极的动力学，如图3。
图3（a)具有Co-N/G、N/G、Co/G和rGO电极的对称电池CV曲线。（b) S@Co-N/G、S@N/G、S@Co/G和S@rGO电极的放电曲线。（c) S@Co-N/G、S@N/G、S@Co/G和S@rGO电极的充电曲线。（d) 电化学循环期间S的K-edge XANS改变。（e) 电化学循环期间峰B的强度(2469.0 eV，代表LiPSs的浓度)和峰D(2474.7 eV，代表Li2S浓度)的改变。
为了了解改进S@Co-N/G正极充电/放电反响动力学的原因，作者进行了第一性原理核算，如图4。其间研讨了LiPSs对Co-N/G的不同或许反响，并将它们与N/G上的相似反响进行比较，用作参阅。
图4（a)第一性原理核算中运用的N/G和Co-N/G的结构，其间棕色、黄色、绿色、浅蓝色和深蓝色球别离代表C、S、Li、N和Co原子(下同)。（b)复原N/G和Co-N/G基底上的LiPSs的能量曲线，内插为中心态在N/G和Co-N/G基底上的优化吸附构象。（c-d) Li2S团簇在N/G和Co-N/G上分化的能量曲线，内插为初始、过渡和终究结构。
为了点评Co-N/G作为S负极碳质载体的电化学功能，作者制备了相同S质量比为90% wt %的S@Co-N/G、S@N/G、S@Co/G和S@rGO复合资料，成果如图5所示。
图5 Co-N/G负极的电化学功能：S@Co-N/G，S@N/G，S@Co/G和S@rGO电极的（a）放电-充电曲线，（b）倍率才能和（c）循环功能（d）在硫载量为2.0和6.0mg cm-2下的S@Co-N/G电极在0.2 C时的循环功能。
综上所述，作者证明嵌入N掺杂石墨烯的单涣散Co原子催化剂是一种用于支撑Li-S电池中S的远景杰出的碳基主体资料。结合XPS、HAADF-STEM和XAS剖析的成果，作者得出结论，在Co-N/G中，Co原子嵌入N掺杂的石墨烯晶格中并与N原子配位构成Co-N-C配位中心，而且两个相邻的Co原子之间的均匀间隔估量约为1 nm。原位XAS和第一性原理核算标明，Co-N-C配位中心别离促进放电和充电进程中Li2S的构成和分化。因而，即便在90 wt%的超高S质量比下，Co-N/G也具有较高的S运用率以及1210 mAh·g-1的质量容量。此外，在含S@Co-N/G电极的S负载高达6.0 mg·cm-2时，复合资料在0.2 C下通过100次循环后的面积容量为5.1 mAh·cm-2，之后每个周期容量衰减率为0.029 %。
文章标题：Cobalt in Nitrogen-Doped Graphene as Single-Atom Catalyst for High-Sulfur Content Lithium–Sulfur Batteries. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 3977-3985.
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