少层 V₂C MXene衍生的 3D V₃S₄纳米晶体功能化碳片（V₃S₄@C）促进多硫化

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研究摘要

高能量密度，低成本，环境友好等优势使得锂硫电池成为公认的极具应用前景的下一代储能体系，然而严重的穿梭效应等问题却使得锂硫电池迟迟无法大规模商用。针对这些问题科研人员付出了巨大的努力也取得了一系列进展。其中最为有效的策略之一是构筑一种合理的正极材料从源头上抑制穿梭效应。本文采用原位晶体转换策略实现了二维 (2D) V2C MXene 向三维 (3D) NiAs 型 V3S4 纳米晶体功能化碳片 (V3S4@C) 的转化。由于极性V3S4介体和导电碳骨架的协同作用，优化后的V3S4@C主体具有优异的化学/物理吸附能力和对多硫化物的高催化活性，有效缓解穿梭效应。正如预期的那样，即使在高硫负载下，最佳的S/V3S4@C 正极材料在长循环和高倍率容量方面也表现出优异的电化学性能，这项工作为设计用于先进锂硫电池的正极材料提供了新的视角。

成果简介

近日，济南大学原长洲教授团队制备了一种独特的V3S4@C复合结构，该结构由均匀分布在二维 (2D) 碳薄片（表示为 V3S4@C）中和/或上V3S4纳米晶体 (NCs) 通过TAA辅助原位硫化层状V2C MXene (f-V2C) 纳米片 (NS)前驱体一步硫化而成。通过对硫化条件的全面优化，当作为S正极的竞争性主体进行电化学评估时，在700 °C下获得的优化复合材料（即V3S4@C-7）与其他同类产品相比表现出优异的电化学性能。由于其对多硫化物的强大吸附和催化转化能力，所得到的S/V3S4@C-7正极即使在4.22 mg cm-2的高硫负载下也表现出优异的速率和循环性能，在锂硫电池中的展现出卓越的应用前景。

该成果在线发表于国际顶级期刊 Journal of Materials Chemistry A (影响因子14.511) 上，题目为：Few-layered V2C MXene derived 3D V3S4 nanocrystals functionalized carbon flakes boosting polysulfide adsorption and catalytic conversion towards Li-S batteries。

硕士研究生谭兆霖为本文第一作者。

图文导读

总结

我们通过使用f-V2C NSs作为前驱体采用简单而有效的硫化策略成功地制备了多孔V3S4@C复合材料（即3D NiAs 型V3S4 NCs分布于多孔碳片骨架上和/内）。通过微调退火温度，获得最佳的V3S4@C-7样品，其表面存在大量尺寸为15 – 80 nm且结晶良好的 V3S4 NCs密集分布于多孔碳片中，使其具有更优的化学/物理性能。得益于极性V3S4和导电多孔碳基体的正协同作用，V3S4@C-7样品对多硫化锂的吸附容量和催化活性比 V3S4@C-6、V3S4@C-8 和 f-V2C 等其他正极材料更能有效地抑制穿梭效应。当用作锂硫电池正极材料时，S/V3S4@C-7正极展现出优越地倍率性能与长循环性能。这项工作为设计用于硫正极设计用于硫正极的新型高性能宿主材料提供了新的视角以助力实现更为先进的锂硫电池。