锂硫电池因其理论能量密度高、成本低、生态友好等优点，在下一代电子产品领域具有广阔的前景。然而，锂硫电池的实际应用受到多硫化物穿梭效应和反应动力学迟缓的阻碍。采用喷雾干燥和化学蚀刻工艺制备了多级多孔MXene微球作为多功能硫电催化剂。相互连接的骨架提供了均匀的硫分布，防止了MXene薄片的重新堆积，而丰富的边缘使类似纳米片的Ti₃C₂具有丰富的活性位点，并调节了Ti原子的d带中心，导致了强的锂多硫化物(LiPS)吸附。不饱和的Ti边缘位点可进一步作为多功能位点对LiPS进行化学锚定，降低锂离子迁移障碍，加速LiPS的转换。由于这些结构上的优点，即使在较高的含硫量和较低的电解质含量下，也可以获得优良的循环性能和速率性能
 
  
图1 图1所示。(a) Li₂S₄在Ti₃C₂和e-Ti₃C₂上的吸附构型。(b) Ti₃C₂和e-Ti₃C₂的DOS模式。(c) li₂S₄吸附Ti₃C₂和e-Ti3C2的S1-S2和S3-S4键COOP图。(d) Ti和C在Ti₃C₂和e-Ti₃C₂中的态密度分析。(e) Li₂S在Ti₃C₂和e-Ti₃C₂表面分解的能量分布。(f) Li⁺在Ti₃C₂和e-Ti₃C₂表面扩散的能量分布。
 

图2 S/3D e-Ti₃C₂微球制备示意图(f)元素映射图像
 
 
图3 (a) 3D e-Ti₃C₂-1， (b) 3D e-Ti₃C₂-2和(c) 3D e-Ti₃C₂-3的形态演化示意图。(d) 3D e-Ti₃C₂-1 (120 C)、3D e-Ti₃C₂-2 (150 C)和3D e-Ti₃C₂-3 (180 C)的TEM图像。(h)三维e- Ti₃C₂-2的TEM图像。(i)三维e-Ti₃C₂-2的HRTEM图像，(j)傅里叶变换(FFT)模式、FFT反晶格图像和选定区域的晶格间距剖面。(k)三维e-Ti₃C₂-2微球横断面上的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像。(l)三维e-Ti₃C₂-2微球的元素映射。
 
 
图4。(a)HE-XRD模式。(b) N₂吸附解吸等温线。(c) 3D Ti₃C₂的Ti 2p和3D e-Ti₃C₂-2的x射线光电子能谱(XPS)。(d) 3D Ti₃C₂和3D e-Ti₃C₂的电子顺磁响应(EPR)谱。(e) 3D Ti₃C₂、3D e-Ti₃C₂-1、3D e-Ti₃C₂-2、3D e-Ti₃C₂-3孔径分布图。(f) 3D Ti₃C₂和3D e-Ti₃C₂-2的c1s XPS谱。
 
 
图5。(一)标准化XANES。(b) Ti k边的傅里叶变换(FT) EXAFS。(c)三维e-Ti₃C₂-2的EXAFS拟合曲线。对(d) Ti₃C₂， (e) 3D Ti₃C₂和(f) 3D e-Ti₃C₂-2的EXAFS信号进行小波变换。(g)添加Ti₃C₂、3D Ti₃C₂、3D e-Ti₃C₂-1、3D e-Ti₃C₂-2和3D e-Ti₃C₂-3前后Li₂S₆溶液的紫外可见光谱和光学图像(插图)。(h)添加和不添加3D e-Ti₃C₂-2时Li₂S₆的高分辨率S - 2p XPS谱图。(i) Li₂S₆和3D e-Ti₃C₂-2/Li₂S₆的XPS光谱。
 
 
图6。(a) Ti₃C₂和(b) e-Ti₃C₂的HOMO和LUMO分布。(c)对称细胞在10 mV s^-1时的CV曲线。(d) LSV曲线。(e) Li₂S沉积剖面。
  
 
图7 (a) S/3D e-Ti₃C₂-2阴极在0.1 mV S^-1时的CV曲线。(b) 0.2 C时不同电极的循环性能(c)速率性能。(d) S/3D e-Ti₃C₂-2阴极在不同电流速率下的充放电曲线。(e) 1.0 C下的长期循环性能和(f)不同阴极的EIS光谱。(g)含硫6.1 mg cm^-2、E/S瘦比5.2 μL mg ^-1时S/3D E - Ti₃C₂ -2阴极的速率性能和(h)循环性能。
  
        相关科研成果由河北工业大学Yongguang Zhang和华南师范大学Xin Wang等人于2021年发表在ACS Nano (https://pubs.acs.org/10.1021/acsnano.1c06213)上。原文：Hierarchically Porous Ti₃C₂ MXene with Tunable Active Edges and Unsaturated Coordination Bonds for Superior Lithium−Sulfur Batteries。

转自《石墨烯研究》公众号