作為典型的儲(chǔ)能器件，鋰硫電池正極仍然存在兩個(gè)主要的挑戰(zhàn)：

1. 硫的利用率；

?

2. 宿主材料和硫之間的強(qiáng)親和力。

?

據(jù)報(bào)道，與廣泛研究的碳材料相比，過渡金屬氮化物(TMN) 納米材料與硫的相互作用更強(qiáng)。如果能夠做到高導(dǎo)電性，TMN材料很有可能克服上述挑戰(zhàn)。

?

一般來說，具有高表面積的零維(0D)納米顆?？梢愿叨缺┞痘钚晕稽c(diǎn)，然而，如果納米晶體之間只有物理接觸，則導(dǎo)電性會(huì)嚴(yán)重不足。另一方面，二維(2D)金屬片層的導(dǎo)電性較高，但致密結(jié)構(gòu)并不能滿足離子的大規(guī)模輸運(yùn)。

?

因此，如果設(shè)計(jì)出一種納米結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有0D和2D材料的特性，那就可以做到博采眾長(zhǎng)。德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授認(rèn)為，由小TMN納米晶堆疊形成具有二維形貌的陣列，將是一種很有前景的電極候選材料，它既能提供高比表面積，又能提供良好的電子/離子輸運(yùn)。

作者通過拓?fù)浠瘜W(xué)法制備出三種TMN納米晶體二維陣列，分別為CrN, TiN和NbN。二維納米層的厚度在4-8 nm之間，CrN納米晶的粒徑約為4.7 nm，TiN納米晶的粒徑約為6.9 nm，NbN納米晶的粒徑約為7.8 nm。

?

X射線對(duì)分布函數(shù)(PDF)分析：所有三個(gè)樣品均與立方TMN結(jié)構(gòu)一致，CrN的立方點(diǎn)陣參數(shù)為4.148 ?，TiN的立方點(diǎn)陣參數(shù)為4.195 ?，NbN的立方點(diǎn)陣參數(shù)為4.318 ?。

?

以CrN為例，作者研究了TMN二維納米晶體陣列的生長(zhǎng)機(jī)理。在400 °C時(shí)，雖然有二維結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，但在XRD上沒有衍射峰；在500 °C時(shí)，2D陣列開始出現(xiàn)，600 °C時(shí)XRD的衍射峰變寬，直至700 °C，Cr2O3完全轉(zhuǎn)化為CrN。

?

NbN對(duì)Li2S6有很好的吸附性，因此可以作為鋰硫電池正極材料。電極中硫載量為2.0 mg cm?2，其中NbN/S正極在0.2 C (1C = 1674 mA g?1)下循環(huán)200圈，仍可保持1140 mAh g?1的高容量。當(dāng)硫載量提高到>5 mg cm?2后，NbN/S-5.1正極在1C下的初始容量為912.8 mAh g?1，循環(huán)1000圈后容量可保持796.5 mAh g?1。

?

該工作以“Two‐Dimensional Arrays of Transition Metal Nitride Nanocrystals” 為標(biāo)題于2019年6月25日發(fā)表在國(guó)際頂刊?Adv. Mater.?上。

?

Two‐Dimensional Arrays of Transition Metal Nitride Nanocrystals. (JAdv. Mater., 2019，DOI: 10.1002/adma.201902393)

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.201902393