J. Mater. Chem. A｜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

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

我最爱你的一刹那给你打电话你没接，等你看到来电提醒再打回来的时候很可能我就不爱你了。——暖小团

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

图1. 用于锂硫电池正极的S/V₃S­₄@C的合成示意图。

图2. 三种V₃S₄@C样品材料的表征：(a, b) V₃S₄@C-6样品的FESEM图像以及 (c）XRD图像；(d, e) V₃S₄@C-7样品的FESEM图像以及 (f) XRD图像；(g, h) V₃S₄@C-8样品的FESEM图像以及 (i) XRD图像；(j) V₃S₄@C-6、(k) V₃S₄@C-7和 (l) V₃S₄@C-8的生长模型示意图。

图3. V₃S₄@C-7的表征：（a ‒ d）FESEM图像；来自图片 (c, d) 的 (e, f) 粒径分布图；(g, h) 大颗粒V₃S₄的TEM和 (i) HRTEM图像；(j) 小颗粒V₃S₄的TEM和 (k) HRTEM图像；(l) STEM和相应的元素（S、V 和 C）分布图像。

图4. 电磁干扰屏蔽机理分析。(a) S/V₃S₄@C-7、V₃S₄@C-7和S的XRD图像，以及 (b) STEM 图像和相应的EDS 元素分布图像。

图5. (a) S/V₃S₄@C-6, V₃S₄@C-7 和 S/V₃S₄@C-8正极的首圈CV 曲线 (0.1 mV s^-1), (b) EIS 图, (c) 倍率性能和 (d) 循环性能 (1 C)。

图6. (a) 多硫化物吸附实验的空白对照、f-V₂C、V₃S₄@C-6、V₃S₄@C-7和V₃S₄@C-8的数码照片和 (b) 相应的紫外吸收光谱； (c) V₃S₄@C-7和V₃S₄@C-7/Li₂S₆的 (c) V 2p 和 (d) S 2p 光谱。

图7. (a) V₃S₄ 和 V₂C 上多硫化物催化转化的吉布斯自由能曲线；如图所示，对称电池在（b）50 mV s^-1 和（c）1 mV s^-1的不同扫描速率下的 CV 曲线；（d) V₃S₄@C-6、V₃S₄@C-7 和 V₃S₄@C-8在Li₂S₈/TEGDME 溶液中以 2.05 V电压放电的计时电流曲线。

图8. S/V₃S₄@C-7 的电化学性能测试：(a) 不同循环圈数下选定的CV 曲线； (b) 第 1、200 和 400 次循环的充电/放电曲线 (0.2 C) 和 (c) 低放电平台 (C2) 和高放电平台 (C1) 的相应放电容量；(d) V₃S₄@C-7 在2.0 C的长循环性能；(e) V₃S₄@C-7 正极材料在不同硫载量下的循环性能（1.0 C）。

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。

文献链接

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ta/d2ta05602j

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【通讯作者简介】

原长洲教授，济南大学材料科学与工程学院博士生导师，山东省“泰山学者特聘教授”，济南市C类人才（省级领军人才），省优秀青年基金、省杰出青年基金和省技术领军人才获得者。连续入选科睿唯安“全球高被引学者”（2016-2020年）和爱斯维尔“中国高被引学者”（2016-2021年）榜单。获教育部自然科学奖二等奖和省青年科技奖各一项。主持了国家自然科学基金项目（4项）和山东省自然科学基金重大基础研究项目等项目10余项。近年来，以第一/通信作者已在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Mater. Today、Mater. Horiz.、J. Mater. Chem. (A)、Small和Green Chem.等国际刊物上发表SCI学术论文100余篇，其中，50余篇IF > 10.0，20余篇分别被Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Mater. Today和Green Chem.以Front/Back Cover或Frontispiece的形式亮点刊载报道。个人H-index为68。授权中国发明专利18余。相关创新成果受到了国际著名出版商WILEY-VCH在其著名学术媒体Materials Views China、X-MOL行业资讯媒体（材料学）、Labtalk News、“能源学人”和“研之成理”等学术媒体进行了前沿进展报道。

侯林瑞教授，济南大学材料科学与工程学院博士生导师。多年来主要致力于微/纳材料的结构设计、可控制备及光电信息功能材料的研究。以第一或通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Funct. Mater.、J. Mater. Chem. (A)和Carbon等刊物上发表SCI 研究论文70余篇。迄今，主持了国家自然科学基金（3项）等多项项目，荣获高校科学研究优秀成果奖自然科学奖二等奖（2015）和江苏省科技技术奖三等奖（2017）各一项。

刘洋，济南大学青年教师。研究方向：碱金属（Li、Na、K）二次电池及离子电容器用高性能电极材料的结构设计、调控及储能机制的基础研究。以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、J. Mater. Chem. A、Energy Environ. Mater.、Small Methods和Sci. China. Mater.等国际知名期刊发表学术论文多篇。

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