催化作用被認為是解決鋰硫電池緩慢的電化學反應和穿梭效應的有效手段。東華大學鄒儒佳和羅維研究員等報道了一種原位氮化技術，合成了超薄MXene-TiN異質結(MX-TiN)，并通過去模板法構造了納米空心球。通過對MXene進行可控的氮化處理，層狀TiN沿著內部MXene生長，構成了僅有數納米的超薄異質結構。這種超薄結構有利于電子快速從MX-TiN導電基體擴散到活性物質硫，提高了硫的電化學反應活性。并且，超薄異質結有效增加了比表面積，豐富了表面的吸附和催化位點。更重要的是，異質結表面TiN(001)面由金屬性質的Ti-3d態主導，提高了異質結的導電性，為電子的快速傳輸提供了通道。同時，DFT理論計算和系統的實驗證實了異質結較純MXene對多硫化物表現出更強的吸附力，抑制了多硫化物的穿梭；并且減小了多硫化鋰的成核和分解勢壘，對活性物質硫的電化學轉化起到了雙向催化效果。電化學性能優異，S/MX-TiN復合正極具有穩定的循環性能，每循環衰減率僅為0.022%(1000圈)，在大載硫量(10.16 mg/cm²)、貧電解質(7.84 μL/mg)條件下，仍然輸出了8.27 mAh/cm²的超大面積容量。
Fig 1. (a)MX-TiN及S/MX-TiN的合成示意圖；(b)Ti?AlC?、Ti?C?T?MXene及MX-TiN的XRD圖譜；(c-e) MX-TiN的形貌表征；(f)MX-TiN的高分辨TEM圖可以觀察到異質結晶界；(g)MX-TiN的元素分布圖。
Fig 2. (a-c) MX-TiN的XPS精細譜圖；(d)MX-TiN的EDS元素分析及含量；(e)MX-TiN、MX-TiO?及MXene的氮氣吸附脫附曲線；(f)不同樣品的熱重曲線。
Fig 3. (a) MX-TiN及MXene對Li?S?的優化吸附模型；(b)MX-TiN及MXene對不同多硫化鋰的吸附能對比；(c)可視化吸附實驗；(d)吸附后多硫化鋰溶液的紫外可見光吸收譜；(e)MX-TiN吸附多硫化鋰后的硫元素XPS譜。
Fig 4. (a) 多硫化鋰在MX-TiN及MXene表面的轉化勢壘；(b)對稱電池的CV曲線；(c-e)不同樣品的硫化鋰沉積曲線；(f)S/MX-TiN不同充放電位置的非原位Raman曲線；(g)S/MX-TiN在不同掃速下的CV曲線；(h)I-v1/2線性擬合。
Fig 5. (a-c) 不同樣品對多硫化鋰的吸附及催化機理示意圖。
Fig 6. (a) 不同正極的充放電曲線對比；(b)倍率測試；(c)0.2C循環測試；(d)5C循環測試；(e)S/MX-TiN在5.15 mg/cm?²硫載量及11.61 μL/mg電解液條件下的倍率測試；(f)S/MX-TiN在不同載硫量及不同電解液含量下的0.2C循環測試；(g)文獻對比。
相關研究工作由東華大學Rujia Zou課題組于2023年在線發表在《Nano-Micro Letters》期刊上，原文：Construction of ultrathin layered MXene TiN heterostructure enabling favorable catalytic ability for high areal capacity lithium–sulfur batteries。
轉自《石墨烯研究》公眾號
