南京大学Shaochun Tang等--MXene封装Fe3Se4/FeSe异质界面促进LiPS转化和抑制穿梭效应工程

开发具有高化学吸附性能的催化剂促进多硫化锂(LiPS)的转化是锂硫(Li-S)电池商业化应用的关键。在这里，通过原位生长和硒化Fe-MOFs，我们制备了一种由Fe₃Se₄/FeSe异质结包裹在二维(2D) MXene纳米片中的新型催化剂。MXene骨架有效捕获多硫化物，Fe₃Se₄/FeSe异质结发挥催化作用，它们的强协同作用实现了lip的“捕获-吸附-催化”。一个Li-S电池与Fe₃Se₄/FeSe@MXene-PP隔膜提供了高比容量(1104.2 mAh g-1在0.2 C)和杰出的速率容量(758.8 mAh g^-1在4 C)。即使硫负载高达5.8 mg cm^-2, Li-S电池具有高比容量 862.6 mAh g^-1在0.2 C和循环稳定性(92.3%保留后120循环)。通过密度函数理论(DFT)计算和原位拉曼分析，讨论了性能改善的相关机制。Fe₃Se₄/FeSe的界面工程提高了费米能级的态密度，降低了Li₂S分解的活化能，内部电场的建立加速了电荷转移。本研究为改进锂-硫电池的高性能催化剂设计提供了一种有效的方法。

图1 Fe₃Se₄的合成过程示意图/FeSe@MXene。

图2. (a) XRD谱图，(b) Fe₃Se₄/FeSe@MXene和MXene的拉曼光谱，(c-d) Fe 2p和Se 3d的高分辨率XPS光谱。(e-f)通过DFT计算Fe₃Se₄/FeSe@MXene和Fe₃Se₄/FeSe模型的态密度和对应的d带中心。

图3 (a) MXene的TEM图，(b) TEM图，(c) HRTEM图，(d) SAED模式和(e) Fe3Se4/FeSe@MXene的EDS元素图。(f)数字照片和(g) Fe3Se4/FeSe@MXene的横断面SEM图像。(i)三种样品的N₂吸附/解吸等温线。

图4. (a) UV-Vis吸附光谱。(b-c) Fe 2p, Se 3d和(d) Fe₃Se₄/FeSe@MXene-Li₂S₆和Fe₃Se₄/FeSe@MXene的Ti 2p的高分辨率XPS光谱。(e)穿梭电流曲线。(f) Li₂S₆对称细胞在2 mV s^-1扫描速率下的CV曲线。(g-i)恒电位放电曲线。

图5 (a) Fe₃Se₄和(b) FeSe结构的静电势和功函数分布。(c)放大Fe₃Se₄/FeSe@MXene在Fe₃Se₄(-112)和FeSe(101)界面的差分电荷。(d) Fe₃Se₄/FeSe@MXene上硫物质吸收的优化配置。(e)硫的吸附能和(f) S₈在MXene、Fe₃Se₄/FeSe和Fe₃Se₄/FeSe@MXene上还原为Li₂S的相对自由能。

图6。(a) CV曲线。(b) 0.1 mV s^-1下的CV曲线比较。(c) Tafel斜率。(d)在不同电流密度下的速率能力。(e)在第一次扫描期间0.2 C下的GCD谱图。(f, g) 0.5℃和2c长期循环寿命的比较。(h) Fe₃Se₄/FeSe@MXene-PP的比容量。

图7。(a) NiCo₂O₄/rGO//Fe₃-M/G超级电容器的不对称组装示意图;(b)扫描速率为20 mV s⁻¹时，不同电位窗口的CV曲线;(c)不同电流密度的GCD曲线;(d) ASC的Ragone图;(e)电流密度为20 mA cm⁻²时的循环稳定性和库仑效率。

图7 (a-d)放电和充电过程中，Fe₃Se₄/FeSe@MXene-PP在0.5 C下的原位拉曼光谱和拉曼轮廓图。

相关科研成果由南京大学先进微结构研究中心Shaochun Tang等人于2022年发表在Chemical Engineering Journal (https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141139)上。原文：Interface Engineering of Fe₃Se₄/FeSe Heterostructures Encapsulated in MXene for Boosting LiPS Conversion and Inhibiting Shuttle Effect。