成果簡介

作為過渡金屬二硫化物中最輕的一種，二維TiS₂納米片在儲能和轉(zhuǎn)化方面具有很大的吸引力。然而，由于超薄TiS₂納米片的堆積和氧化趨勢很強，單到多層TiS₂納米片的可靠可控合成具有挑戰(zhàn)性。

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近日，昆士蘭大學王連洲團隊首次報道了通過原位多巴胺輔助硫化工藝將Ti₃C₂T_x?Mxene成功轉(zhuǎn)化為N，S共摻雜多孔碳（TiS₂@NSC）約束的三明治狀超薄TiS₂納米片。在鋰硫電池中，TiS₂@NSC作為硫宿主時，對鋰多硫化物具有很高的捕獲能力。將TiS₂@NSC與棉源碳纖維結(jié)合在一起的自支撐硫電極在0.1 C下循環(huán)100圈后具有5.9 mAh ?cm^-2的容量。7.7 mg cm^-2的高硫負載量使TiS₂@NSC成為最好的多硫化鋰吸附劑之一。

圖文速覽

原位多巴胺輔助硫化工藝將Ti₃C₂T_x?Mxene成功轉(zhuǎn)化為N，S共摻雜多孔碳（TiS2@NSC）約束的三明治狀超薄TiS2納米片的原理圖及其作為雙功能硫宿主在鋰硫電池中的應用。TiS2@NSC可以捕獲多硫化鋰并催化加速多硫化鋰的轉(zhuǎn)化。

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通過XRD，拉曼光譜，場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）和透射電子顯微鏡（TEM）對得到的TiS2@NSC，TiS2-C和Ti3C2Tx納米片進行了分析。

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作者研究了TiS2@NSC，NSC和NSC與TiS2-C混合物對多硫化鋰的吸附性能和電化學性能。上圖（a）表明TiS2@NSC與多硫化鋰的親和力顯著增強。從電化學阻抗，倍率性能以及循環(huán)性能結(jié)果表明TiS2@NSC具有更低的內(nèi)阻，更好的倍率性能以及更加優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

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為了進一步提高硫的利用率，進而提高面積容量，作者設計了以棉基碳纖維為載體的TiS2@NSC三維集電器（TiS2@NSC@CFS）。

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硫負載為5.3 mg cm?2的S/TiS2@NSC@CFs的初始容量為5.6 mAh cm?2（1045 mAh g?1）。當硫負載進一步增加到7.7 mg cm?2時，初始容量達到7.9 mAh cm?2（1025 mAh g?1）。

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與之前報道的其他金屬硫化物相比，本研究中基于TiS2@NSC的LSB在高硫利用率、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)越的區(qū)域容量方面顯示出綜合優(yōu)勢。

全文總結(jié)

總之，作者發(fā)現(xiàn)一種新的方法來合成N，S共摻雜三明治狀超薄TiS₂納米片。TiS₂納米片表面獨特的三明治狀結(jié)構有利于固定多硫化鋰，從而提高硫的利用率。以棉基碳纖維為載體的TiS₂@NSC三維集流體（TiS₂@NSC@CFS）被用于鋰硫電池時其具有超高的容量。作者認為這種夾層結(jié)構的優(yōu)良電化學性能為高性能鋰硫電池的設計提供了有力的指導。

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文獻信息

Sandwich-Like Ultrathin TiS₂?Nanosheets Confined within N, S Codoped Porous Carbon as an Effective Polysulfide Promoter in Lithium-Sulfur Batteries (Adv. Energy Mater., 2019, DOI: 10.1002/aenm.201901872)

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.201901872