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

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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