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陳忠偉/王新/張永光ACS Nano: 用于鋰硫電池的分級多孔Mxene微球先進電催化劑

鋰硫（Li-S）電池由于其理論能量密度高、成本低和環境友好，在下一代電子產品中具有廣闊的前景。然而，多硫化物（LIPS）的穿梭效應和緩慢的反應動力學阻礙了Li-S電池的實際應用。

在此，加拿大滑鐵盧大學陳忠偉院士、華南師范大學王新研究員及河北工業大學張永光教授等人報道了通過噴霧干燥和化學蝕刻策略制備分級多孔MXene 微球作為多功能電催化劑。

在噴霧干燥過程中，Mxene納米片上原位形成了O-Ti-C表面氧化層。之后采用簡單的化學腐蝕方法選擇性去除Ti₃C₂ MXene納米薄片上的Ti-O鍵以產生大量不飽和Ti位點，同時形成規整的層狀多孔結構。

由此產生的裸露邊緣和不飽和配位Ti使得MXene和LiPS之間存在優異的主客體相互作用，導致強大的硫吸附和快速的氧化還原反應。堅固的結構抑制了材料的重新堆疊并緩解了體積膨脹，提供快速的物質/電荷傳輸。

圖1. S/3D e-Ti₃C₂-2微球合成示意圖

基于上述優勢，采用S/3D e-Ti₃C₂-2正極的電池在0.2 C下具有1205.9 mAh g^-1的高放電容量和優異的倍率性能（772.4 mAh g^-1@5.0 C）。即使在硫負載提高至6.1 mg cm^-2的情況下，S/3D e-Ti₃C₂-2正極仍然表現出優異的電化學性能。

在 0.1 C時提供了 5.6 mAh cm^-2的大容量，即使在0.5 C下也能提供 4.2 mAh cm^-2的面積容量。該研究提供了一種有利的設計策略，將具有豐富活性邊緣中心和加速LiPS催化轉化的Ti₃C₂ Mxene材料協同結合，為未來具有卓越性能的Li-S電池的創新設計做出貢獻。

圖2. 基于S/3D e-Ti₃C₂-2正極的Li-S電池的電化學性能

Hierarchically Porous Ti₃C₂MXene with Tunable Active Edges and Unsaturated Coordination Bonds for Superior Lithium-Sulfur Batteries, ACS Nano 2021. 10.1021/acsnano.1c06213

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