作為典型的儲能器件，鋰硫電池正極仍然存在兩個主要的挑戰：

1. 硫的利用率；

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2. 宿主材料和硫之間的強親和力。

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據報道，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。如果能夠做到高導電性，TMN材料很有可能克服上述挑戰。

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一般來說，具有高表面積的零維(0D)納米顆粒可以高度暴露活性位點，然而，如果納米晶體之間只有物理接觸，則導電性會嚴重不足。另一方面，二維(2D)金屬片層的導電性較高，但致密結構并不能滿足離子的大規模輸運。

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因此，如果設計出一種納米結構，同時具有0D和2D材料的特性，那就可以做到博采眾長。德雷塞爾大學Yury Gogotsi教授認為，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。

作者通過拓撲化學法制備出三種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。

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X射線對分布函數(PDF)分析：所有三個樣品均與立方TMN結構一致，CrN的立方點陣參數為4.148 ?，TiN的立方點陣參數為4.195 ?，NbN的立方點陣參數為4.318 ?。

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以CrN為例，作者研究了TMN二維納米晶體陣列的生長機理。在400 °C時，雖然有二維結構出現，但在XRD上沒有衍射峰；在500 °C時，2D陣列開始出現，600 °C時XRD的衍射峰變寬，直至700 °C，Cr2O3完全轉化為CrN。

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NbN對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200圈，仍可保持1140 mAh g?1的高容量。當硫載量提高到>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1000圈后容量可保持796.5 mAh g?1。

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

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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