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陳忠偉/王新/張永光ACS Nano: 用于鋰硫電池的分級(jí)多孔Mxene微球先進(jìn)電催化劑

鋰硫（Li-S）電池由于其理論能量密度高、成本低和環(huán)境友好，在下一代電子產(chǎn)品中具有廣闊的前景。然而，多硫化物（LIPS）的穿梭效應(yīng)和緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)阻礙了Li-S電池的實(shí)際應(yīng)用。

在此，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士、華南師范大學(xué)王新研究員及河北工業(yè)大學(xué)張永光教授等人報(bào)道了通過噴霧干燥和化學(xué)蝕刻策略制備分級(jí)多孔MXene 微球作為多功能電催化劑。

在噴霧干燥過程中，Mxene納米片上原位形成了O-Ti-C表面氧化層。之后采用簡(jiǎn)單的化學(xué)腐蝕方法選擇性去除Ti₃C₂ MXene納米薄片上的Ti-O鍵以產(chǎn)生大量不飽和Ti位點(diǎn)，同時(shí)形成規(guī)整的層狀多孔結(jié)構(gòu)。

由此產(chǎn)生的裸露邊緣和不飽和配位Ti使得MXene和LiPS之間存在優(yōu)異的主客體相互作用，導(dǎo)致強(qiáng)大的硫吸附和快速的氧化還原反應(yīng)。堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)抑制了材料的重新堆疊并緩解了體積膨脹，提供快速的物質(zhì)/電荷傳輸。

圖1. S/3D e-Ti₃C₂-2微球合成示意圖

基于上述優(yōu)勢(shì)，采用S/3D e-Ti₃C₂-2正極的電池在0.2 C下具有1205.9 mAh g^-1的高放電容量和優(yōu)異的倍率性能（772.4 mAh g^-1@5.0 C）。即使在硫負(fù)載提高至6.1 mg cm^-2的情況下，S/3D e-Ti₃C₂-2正極仍然表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

在 0.1 C時(shí)提供了 5.6 mAh cm^-2的大容量，即使在0.5 C下也能提供 4.2 mAh cm^-2的面積容量。該研究提供了一種有利的設(shè)計(jì)策略，將具有豐富活性邊緣中心和加速LiPS催化轉(zhuǎn)化的Ti₃C₂ Mxene材料協(xié)同結(jié)合，為未來具有卓越性能的Li-S電池的創(chuàng)新設(shè)計(jì)做出貢獻(xiàn)。

圖2. 基于S/3D e-Ti₃C₂-2正極的Li-S電池的電化學(xué)性能

Hierarchically Porous Ti₃C₂MXene with Tunable Active Edges and Unsaturated Coordination Bonds for Superior Lithium-Sulfur Batteries, ACS Nano 2021. 10.1021/acsnano.1c06213

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