上海大学张海娇课题组：树叶启发设计的二维介孔Sb2S3/氮掺杂Ti3C2Tx复合纳米材料用于快速的钠离子存储

       上海大学张海娇教授等人受到树叶中气孔呼吸作用的启发，成功制备了一种新型介孔树叶状Sb₂S₃/氮掺杂Ti₃C₂T_x复合电极材料。Sb₂S₃的介孔结构不仅能够提供更多的电化学活性位点，还能通过“向内呼吸”有效地缓冲体积膨胀。该新型负极材料展现出快速的钠离子存储性能和良好的循环稳定性。

Sb₂S₃具有资源丰富和理论容量高等优点，被认为是一类极具前景的钠离子电池负极材料。然而，较低的电导率使得商业化块状Sb₂S₃材料的实际储钠容量较低，倍率性能较差。此外，Sb₂S₃在充放电时具有较大的体积膨胀，进一步影响其循环稳定性。为了解决上述问题，通常是将活性Sb₂S₃材料和导电性、机械性能良好的基底材料进行复合。二维过渡金属碳化物或氮化物（MXene）因其良好的导电性、优异的稳定性和较高的表面积，被认为是理想的基质载体。活性材料与二维Ti₃C₂T_x Mxene纳米片复合不仅可以增强电子和离子的传输，而且能够形成稳定的低维结构，从而协同增强电化学性能。此外，介孔结构可以提供更多的活性位点并缓冲循环过程中的体积膨胀，也被认为是改善钠存储性能的有效策略。

基于以上考虑，上海大学张海娇课题组采用L-酒石酸辅助的溶剂热法成功制备出介孔结构的榆树叶状Sb₂S₃/氮掺杂Ti₃C₂T_x杂化材料（L-Sb₂S₃/Ti₃C₂）。叶片状的Sb₂S₃高度分散并均匀锚定在Ti₃C₂T_x纳米片上，而Sb₂S₃纳米颗粒中存在大量的介孔，类似于树叶中的气孔，可以增强离子和电子的传输动力学。同时，由于硫前驱物的分解，可以很容易地实现Ti₃C₂T_x的原位氮掺杂，从而进一步增强界面电子转移动力学（图1）。

图1 L-Sb₂S₃/Ti₃C₂的合成过程及SEM、TEM和Mapping表征。 

随后采用原位测试技术考察了L-Sb₂S₃/Ti₃C₂电极在嵌钠/脱钠过程中的结构变化以及相演变过程。原位TEM结果表明，嵌钠过程为向内填充孔机制主导，仅导致约20％的长轴长度变化。在整个脱嵌钠过程中，电极材料很好地保持其整体形貌，没有任何明显的结构变化，表明介孔结构和Ti₃C₂T_x基质可以有效地缓冲大体积膨胀并防止Sb₂S₃颗粒在循环过程中粉碎。原位SAED验证了该复合材料的储钠机制为转化、合金化反应过程（图2）。受益于其独特的结构优势，所得L-Sb₂S₃/Ti₃C₂电极在100次循环后可提供445.5 mAh g^‒1的高可逆容量，相当于初始可逆容量的85.3%。即使在2 A g^‒1的电流密度下，仍能表现出68%的容量保持率。

图2 L-Sb₂S₃/Ti₃C₂电极在储钠过程中的原位TEM表征、结构变化和相演变过程。 

该工作为新型钠离子电池负极材料的开发注入了新的动力，这种复合电极材料的设计思路和结构优化策略有望为其他功能性MXene基复合材料的设计提供有意义的参考。

论文第一作者为上海大学硕士生何丰翼，通讯作者为张海娇教授和厦门大学张桥保副教授。详见：He FY, Tang C, Zhu GJ, Liu YD, Du AJ, Zhang QB, Wu MH, Zhang HJ. Leaf-inspired design of mesoporous Sb₂S₃/N-doped Ti₃C₂T_x composite towards fast sodium storage. Sci. China Chem., 2021, DOI:10.1007/s11426-020-9942-9.

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通讯作者简介

张海娇 华东师范大学化学博士（师从何鸣元院士），澳大利亚昆士兰大学高级访问学者，上海大学环境与化学工程学院教授、博士生导师, 上海市浦江人才和曙光学者。主要从事碳基低维纳米结构和硅基介孔材料的可控制备在能源存储（锂/钠/钾离子电池等）和环境保护等领域中的应用研究。

张桥保 厦门大学材料学院副教授，嘉庚创新实验室副研究员。2016年博士毕业于香港城市大学，2015年在佐治亚理工学院刘美林教授课题组访学，2016年8月加入厦门大学。近年来围绕二次电池关键电极材料的设计优化及其动态构效机制解析，开展系统研究工作。先后主持国家自然科学面上/青年基金等多项科研项目。

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