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與棉源碳纖維結合在一起的自支撐硫電極在0.1 C下循環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化。

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通過XRD，拉曼光譜，場發射掃描電子顯微鏡（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，倍率性能以及循環性能結果表明TiS2@NSC具有更低的內阻，更好的倍率性能以及更加優異的循環穩定性。

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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、良好的循環穩定性和優越的區域容量方面顯示出綜合優勢。

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全文總結

總之，作者發現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構的優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