東南大學孫正明團隊Adv Mater：MXene原位衍生缺陷型氧化物量子點@多孔碳片助力長壽命鋰硫電池

【文章信息】

第一作者：張恒、楊莉

通訊作者：潘龍、孫正明

通訊單位：東南大學

【研究背景】

鋰硫電池因具有數倍于鋰離子電池的理論能量密度（2600 W h kg^-1）而被認為是最具前景的下一代電化學儲能器件之一。然而，單質硫及多硫化物的低電導率導致其氧化還原反應動力學遲緩，多硫化物的溶解和擴散引起穿梭效應使得庫倫效率和循環容量快速衰減，循環過程中的體積效應導致電池循環穩定性差甚至失效。這些因素嚴重制約著鋰硫電池的商業化應用。

【文章簡介】

東南大學孫正明團隊提出了一種集物理限域、化學吸附和催化轉化于一體的“all-in-one”硫載體，大幅提升了鋰硫電池的循環穩定性。該工作利用新型二維材料MXene（Ti₃C₂）為單一前驅體，首次通過可控原位轉換策略構筑了富含氧空位的Ti_nO_2n-1量子點（OV-T_nQDs）修飾的多孔碳納米片（PCN）復合結構（即OV-T_nQDs@PCN）。利用原位Raman、多硫化物吸附、第一性原理計算等多種實驗與理論方式揭示了OV-T_nQDs@PCN及氧空位對多硫化物的吸附和催化轉化作用機制。研究成果以“MXene-derived Ti_nO_2n-1?quantum dots distributed on porous carbon nanosheets for stable and long-life Li?S batteries: Enhanced polysulfide mediation via?defect engineering”為題發表在國際知名期刊Advanced?Materials上，東南大學材料學院博士生張恒為第一作者，至善博士后楊莉為共同第一作者。

【文章創新點】

創新點一：首次實現MXene可控原位轉換構筑OV-T_nQDs@PCN

MXene在氧化劑存在條件下一般會部分轉化形成TiO₂@MXene或者完全轉化為TiO₂。本文利用稀釋的H₂O₂溶液氧化MXene并結合后處理，首次實現將MXene中的Ti完全轉化為富含氧空位的Ti_nO_2n-1量子點（OV-T_nQDs）并同時保留了C層的二維結構（PCN）。該策略不僅擴大了MXene用途，也為制備OV-QDs@PCN提供了新途徑。

創新點二：揭示了氧空位對多硫化物的吸附與催化轉化機制

通過一系列實驗與理論計算證明氧空位不僅能夠降低Ti_nO_2n-1對Li₂S₄的吸附能，而且可以減小Ti_nO_2n-1與Li₂S₄之間的結合鍵長，從而使得OV-T_nQDs對多硫化物表現出高效的化學吸附能力。此外，本文利用原位Raman證實了OV-T_nQDs對不同的多硫化物表現出不同的催化效果：由傳統的放電過程(S₈?→?S_x^2–?→?S₄^2–?→?S^2–)變為S₈?→?S_x^2–?+ S₂O₃^2–?→?S₄^2–+ S_xO₆^2–?→?S^2–。該結果為理解多硫化物的轉化過程和穿梭效應抑制機理提供了新思路。

創新點三：“all-in-one”設計大幅提升鋰硫電池循環壽命

OV-T_nQDs@PCN呈現了“催化中心-限域空間-導電基質”的作用：OV-T_nQDs作為化學吸附和催化中心，捕獲并可逆轉化多硫化物；PCN不僅為多硫化物提供物理限域空間，而且作為導電骨架促進電荷轉移和離子擴散；多孔結構為提高硫載量提供了空間。基于這樣的“all-in-one”設計，OV-T_nQDs@PCN/S電極在2C下循環1000圈后依然具有88%的容量保持率。不僅如此，在4.8 mg cm^–2硫負載量和4.5 μL mg^–1貧電解液下仍然表現出良好的循環性能，并可用于柔性軟包電池。

【圖文導讀】

圖1 MXene原位衍生OV-T_nQDs@PCN的形貌與微觀結構：(a) 制備流程示意圖；(b-d) MXene的SEM和TEM照片；(e-n) OV-T_nQDs@PCN的SEM和TEM照片

圖2 多硫化物的吸附和轉化：(a-b) 理論計算Li₂S₄在硫載體表面的吸附能；（c）硫載體對Li₂S₄溶液的吸附效果對比；（d-e）吸附后沉淀物的XPS；（f）原位拉曼分析正極電化學過程中含硫物種的轉化過程

圖3 電化學性能：(a)硫正極充放電轉化示意圖；（b）CV曲線；（c-d）倍率性能；（e-g）循環性能及循環保持率對比

【通訊作者簡介】

孫正明教授簡介：教授、博導、國家特聘專家，現任東南大學材料學院院長。先后在中科院、維也納大學（博士后）、日本豐橋技科大學（JSPS）進行復合材料、金屬間化合物等研究。回國前在日本產業技術綜合研究所（AIST）任部長助理兼主任研究員。研究領域涵蓋金屬、陶瓷、金屬間化合物、復合材料等在結構、熱電轉換、儲氫、儲能等領域的基礎與應用，已在Adv Mater、Adv Funct Mater、Acta Mater、Chem?Soc Rev等高水平期刊上發表200多篇SCI學術論文，申請40多項發明專利。最近十年，主要活躍在金屬性陶瓷材料，即MAX相及其衍生材料MXene等研究領域。目前主持國家重點研發項目課題1項，國家自然科學基金重點項目1項，面上項目2項，江蘇省雙創團隊項目1項，江蘇省雙創人才項目1項等。擔任中國復合材料學會職稱評定委員會常務副主任委員、江蘇省海外交流協會常務理事等。2016年獲第六屆全國僑界貢獻（創新人才）獎。

潘龍副教授簡介：副教授、碩士生導師，現任東南大學材料學院功能材料系副主任。2019年加入東南大學材料學院。研究方向主要為低維納米材料的可控制備、多層級自組裝及其在電化學儲能與催化領域的應用。以第一作者和通訊作者在Adv Mater、Adv Funct Mater、Nano Energy、Energy Storage Mater、Small等雜志發表論文超過15篇。目前主持江蘇省自然科學基金青年基金1項，江蘇省“雙創博士”項目1項、南京市留學人員擇優資助項目1項。

【第一作者介紹】

張恒，博士研究生，師從孫正明教授。碩士畢業于河南理工大學，師從周愛國教授和王李波副教授。研究方向主要為MXene及其復合、衍生材料的可控制備和電化學儲能領域的應用。近五年在Adv Mater、Nanoscale、Electrochim Acta、ACS Appl Energy Mater等期刊發表學術論文十余篇。

楊莉，東南大學博士后，合作導師為孫正明教授。2020年獲得中國博士后科學基金第2批特別資助（站前），并入選東南大學至善博士后計劃。研究方向為MXene及其衍生物電極材料的多尺度設計，包括成分調控和多級結構構筑，以及電化學儲能機理。近五年來在Adv Mater, Adv Funct Mater, Electrochim Acta等期刊發表學術論文十余篇。

【課題組網站】

https://smse.seu.edu.cn/sun/main.htm

本課題組目前招聘電化學儲能相關領域的博士后，熱忱歡迎廣大志同道合的博士加盟。聯系郵箱：zmsun@seu.edu.cn、panlong@seu.edu.cn。

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