温州大学肖遥课题组《AM》：具有功能性阳离子空位的软硬异质结构实现快速和高容量钠存储

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第一作者：苏宇

通讯作者：肖遥、徐赛龙、张仕林

通讯单位：温州大学碳中和技术创新研究院、澳大利亚阿德莱德大学化学工程与高级材料学院、北京化工大学化学资源工程国家重点实验室

论文DOI：10.1002/adma.202305149

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优化电荷转移和减轻电极材料的体积膨胀是实现储能系统电化学性能最大化的关键。温州大学的肖遥、北京化工大学徐赛龙和阿德莱德大学张仕林构建了一种软硬Co9S8@MoS2核壳异质结构，在原子界面处具有双阳离子空位，作为高性能钠离子电池（SIBs）负极。电化学测试和理论计算证明了该异质结构材料具有优异的Na+传输动力学与电化学性能。这一发现开辟了一种独特的软硬异质结构策略，拓宽了储能和转换材料设计的领域。

研究背景

设计具有快速充电和高容量Na存储的先进负极材料对于推进具有高能量密度的SIBs的实际应用至关重要。通过引入异质结构可以缓解本征半导体反应动力学差和电荷输运的问题。但由于活性材料之间缺乏直接密切的界面连接，异质结构材料的倍率性能和循环稳定性在商业上仍有很大的进步空间。构建异质结构是一种非常有效的策略，并且可通过形成缺陷位点来获得原子级界面接触，增加具有化学键连接的特定界面接触的有效锚定位点。然而，目前构建界面、离子通道和异质结构都是考虑单独策略解决问题，这些策略之间是如何协同促进能量储存仍然未知。本文中提出了软组件使电荷通过离子通道传递，而刚性组件作为活性材料在充放电过程中抵抗结构变形。

图文导读

HAADF-STEM和SEM图像证实了金属硫化物颗粒在氧化还原石墨烯（rGO）表面均匀生长，尺寸为十纳米左右。同样，能量色散X射线（EDX）分析显示材料中Co、Mo、S和C元素均匀分布。高分辨率HAADF-STEM图像清楚地证明了d-Co9S8@MoS2/S-Gr异质结构的晶体边界处存在两种晶格条纹，显示了Co─S─Mo原子的桥接以及Co9S8与MoS2之间的密切接触。

样品的XRD衍射峰与Co9S8和MoS2的标准X射线衍射峰匹配良好，表明引入缺陷位点后晶体结构保持良好。另外，与对照样相比，XPS结果表明双阳离子空位的引入显著地调整了异质结构的表面电子结构，使得金属元素的价态升高。

为了进一步探索d-Co9S8@MoS2/S-Gr中Co和Mo的局部原子环境，作者进行了X射线吸收近边结构光谱（XANES）和扩展X射线吸收精细结构光谱（EXAFS）表征。这些结果表明，在异质结构中引入阳离子空位，可以显著改善Co9S8和MoS2之间的界面接触，从而为快速电荷转移提供通畅的离子通道。

电化学测试结果表明该电极具有良好的电化学可逆性。与纯的Co9S8和MoS2材料相比，d-Co9S8@MoS2/S-Gr电极表现出优异的可逆容量。该材料具有优异的电化学性能主要归因于Co9S8@MoS2异质结构界面处快速的扩散动力学和与丰富的Na+吸收位点之间的协同作用。

采用密度泛函理论（DFT）模拟了Co9S8@MoS2异质结构中的电子电荷转移动力学和可能的Na+迁移途径。理论分析表明通过形成软硬异质结构和阳离子空位来构建具有功能缺陷的软硬Co9S8@MoS2异质结构，有望促进电荷转移动力学，降低离子扩散途径，保持机械稳定性，从而提高材料的倍率性能和循环性能。

总结与展望

通过精心设计成功制备了一种具有阳离子空位的软硬d-Co9S8@MoS2/S-Gr异质结构电极材料。实验表征和理论计算均表明，异质结构和空位的协同作用可以有效降低扩散能垒，从而改善电荷载流子的扩散动力学。这种独特的软硬异质结构确实表现出优异的倍率性能和循环稳定性。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202305149

第一作者信息

苏宇，博士，毕业于北京化工大学，现为温州大学碳中和技术创新研究院博士后，导师侴术雷教授和肖遥教授。目前主要从事钠离子电池层状氧化物正极材料的基础研究，包括材料的制备、结构表征、电化学性能与储钠机理探究、以及放大生产应用等。以第一作者在《Advanced Materials》、《ACS Applied Materials & Interfaces》等国际知名期刊上发表论文4篇。

课题组招聘

温州大学碳中和技术创新研究院诚聘物理化学、应用化学、材料化学/工程、化学工艺/工程等专业的博士后。同时，欢迎联合培养的硕士生/博士生（可为博士生提供海外联培机会，海外高校包括但不限于：澳大利亚伍伦贡大学等）。虚位以待，期待有志之士加盟，一起成长！申请人请将个人简历、反映本人学术水平的代表性成果等文档发送至xiaoyao@wzu.edu.cn。

研究方向：

1. 钠离子电池正极材料的开发，包括但不限于：层状金属氧化物、普鲁士蓝类似物等；

2. 钠离子电池负极材料的开发，包括但不限于：硬碳等；

3. 钠离子电池新型电解液的开发，包括但不限于：阻燃电解液等；

4. 极端型钠离子电池开发，包括但不限于：低温钠离子电池等；

招聘要求：

1. 获得博士学位的毕业生、通过博士论文答辩的应届毕业生，原则上年龄不超过35周岁，品学兼优，身心健康。

2. 具有较强的科学研究能力、敬业精神和创新实践能力，具有较强的科研创新能力及英语写作能力，发表过较好的学术论文。

3. 具备全职在站从事博士后研究工作的条件。

温州大学碳中和技术创新研究院简介：

2021年9月28日，温州大学与温州市瓯海区人民政府积极响应国家“碳中和”的战略目标，共同成立了温州大学碳中和技术创新研究院（简称温碳院，英文名称Wenzhou University Technology Innovation Institute for Carbon Neutralization）。温州大学碳中和技术创新研究院为实体科研机构，由全球高被引学科学家侴术雷教授担任院长。研究院旨在实现钠离子电池产业化，促进清洁能源发展，优化能源结构，助力我国实现“双碳”目标。

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