3D SnS/MXene增强储钠能力

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【研究背景】

在金属硫化物负极中，硫化锡（II）具有较高的理论容量（1022 mAh g^-1），这使其成为钠离子电池（SIB）的潜在候选者。正交晶-SnS可以通过结合转化和合金化反应机理来存储Na⁺，涉及从正交晶-SnS到立方-Sn再到正交晶-Na₁₅Sn₄的两结构相变。尺寸可控的纳米锡与高导电性基材的表面偶联可以引入额外的赝电容以最大化表面上的反应位点。理想的二维（2D）异质结构具有原子层厚度，高表面暴露度和大量边缘位点，具有增强的赝电容作用和超快动力学。然而，大多数的SnS纳米复合材料主要集中在石墨烯基材料上。探索新策略以结合其他有前途的导电基质实现SnS的可控制造仍然是一个巨大的挑战。

【成果简介】

最近，北京理工大学化学化工学院Minhua Cao教授课题组在国际知名学术期刊Chemistry - A European Journal上发表一篇题目为：Toward understanding the enhanced pseudocapacitive storage in 3D SnS/MXene architecture enabled by engineered surface reactions的研究论文，该研究开发了一种前驱物导向的策略，以获得具有优异Na储存的3D SnS / Ti₃C₂T_x杂化物（表示为SnS / Ti₃C₂T_x-O），即在Ti₃C₂T_x纳米片上氢氧化锡（Sn₆O₄（OH）₄）前驱体的表面生长，随后在油浴中硫化，然后进行退火处理。与一步式水热硫化相比，前驱体引导的硫化在温和的条件下得以实现。形成的微小SnS纳米晶体（尺寸约5 nm）通过牢固的TiS共价键与起皱的Ti₃C₂T_x纳米片耦合，露出大量边缘和活性位点。我们的SnS /Ti₃C₂T_x-O负极具有高度曲折的片状结构，并具有强大的3D网络架构和经过设计的表面反应，可在SIB中提供赝电容为主的存储，显着提高容量在0.1 A g^-1时565 mAh g^-1和出色的倍率性能。

【图文导读】

流程图1. 3D SnS / Ti₃C₂T_x-O和大块的SnS / Ti₃C₂T_x -H的制备示意图

图1（a）原始Ti₃C₂T_x纳米片的TEM图像 （b）Sn₆O₄（OH）₄ / Ti₃C₂T_x前驱体（c，d）3D SnS /Ti₃C₂T_x-O和（e，f）大块的SnS / Ti₃C₂T_x-H的SEM图像

图2 SnS / Ti₃C₂T_x -O的（a，b）TEM （c）HRTEM图像（d）EDS光谱和（e）相应元素映射图像 （f）SnS / Ti₃C₂T_x -O，SnS / Ti₃C₂T_x -H和Ti₃C₂T_x的氮吸附-解吸等温线和相应的孔径分布（插图）

图3 SnS / Ti₃C₂T_x -O，SnS / Ti₃C₂T_x -H和Ti₃C₂T_x样品的物理表征

图4 （a-c）SnS / Ti₃C₂T_x-O，SnS / Ti₃C₂T_x-H和Ti₃C₂T_x样品的XANES光谱和相关计算（d）SnS /Ti₃C₂T_x -O，SnS/ Ti₃C₂T_x -H，SnCl₂∙2H₂O和SnCl₄∙5H₂O的Sn L₃-边缘的XANES光谱

图5 SnS / Ti₃C₂T_x -O电极的电化学性能

图6不同状态下SnS / Ti₃C₂T_x -O电极的异位XRD图谱

图7 SnS / Ti₃C₂T_x-O电化学行为的动力学分析

【本文总结】

本文探索了前驱体指导的合成策略，用于构建锚定在起皱的Ti₃C₂T_x纳米片上的微小SnS纳米晶体（尺寸约5 nm）。与在SnS/Ti₃C₂T_x-H中的Ti₃C₂T_x上覆盖的随机的SnS板相反，制备的SnS / Ti₃C₂T_x-O确保了强大的3D网络架构。XPS和EXAFS证实了这两种化合物独特的Ti-S共价键，大大增强了结构耐久性。此外，起皱的Ti₃C₂T_x上的SnS纳米微晶的高度暴露的表面和边缘促进了离子传导和反应动力学。通过大大改善的表面反应，对于1.0 mV s^-1的SnS / Ti₃C₂T_x-O可以达到高达92.7％的赝电容为主的贡献。总的来说，结合形态学和结构特征的优势，SnS / Ti₃C₂T_x-O负极在整体上提高了Na储存性能。这项工作会为控制硫化物的形态和纳米/微观结构的调整制造以实现优异的电化学性能开辟一条新途径。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/chem.202000795

信息来源：MXene Frontier

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