電子科技大學陳俊松教授團隊EMA：

具有優異儲鈉性能的NiS2/FeS納米花狀異質結材料

過渡金屬硫化物具有優異的儲鈉潛力，但低導電性和體積膨脹限制了其進一步應用。本工作通過在PB上生長層狀氫氧化物納米片，然后氣相硫化，得到納米花狀的NiS₂/FeS異質結材料。其具有優異的倍率性能（50 A g^-1時，比容量為156 mAh g^-1）和穩定的長循環性能（5 A g^-1時，循環1000圈后，比容量仍能保持在606 mAh g^-1），遠遠高于無異質結構的NiS₂和FeS。密度泛函理論計算進一步證明了NiS₂/FeS異質界面為材料提供了突出的動力學性能以及結構穩定性。

在眾多電極材料中，過渡金屬硫化物具有良好的儲鈉潛力。另外，通過構建異質結構在界面處誘導內建電場的產生，能夠為電荷的傳輸提供額外的驅動力。基于此，作者團隊構建了一種獨特的NiS₂/FeS異質結構材料。

作者團隊通過多步合成法構建了獨特的NiS₂/FeS異質結構復合材料。如圖1所示，首先合成鐵基普魯士藍(Fe-PB)納米晶體，然后在Fe-PB前驅體上通過水熱法生長Ni的層狀氫氧化物(Ni-LDH)納米片，得到Fe-PB@Ni-LDH核殼結構，然后進行氣相硫化，最終得到花狀形貌的NiS₂/FeS納米顆粒。

圖1. NiS₂/FeS的合成示意圖

如圖2所示，S化后得到的NiS₂/FeS仍能保持納米花狀形貌，具有良好的結構穩定性。從TEM可以看出，NiS₂和FeS的異質結存在，且均勻地分布在復合物中。

圖2. (A, B) Fe-PB@Ni-LDH前驅體的SEM圖像;(C, D, E, F) 分別是NiS₂/FeS的SEM，TEM，HRTEM和元素分布

XRD的測試結果與TEM結果一致，進一步證明了NiS₂/FeS中兩種物相的并存。從Fe 2p和Ni 2p的XPS擬合結果可以看出，在異質結中，FeS的電荷向NiS₂轉移。

圖3. (A) NiS₂/FeS S 2p的XRD譜圖;(B) NiS₂/FeS的高分辨率XPS;(C) NiS₂/FeS和FeS的Fe 2p 的XPS; (D) NiS₂/FeS和NiS2的Ni 2p的XPS

圖4. 電化學性能測試: (A) 0.1 mV s-1下NiS₂/FeS的CV曲線; (B) 0.2 A g-1時NiS₂/FeS的充放電曲線; (C)NiS₂/FeS、NiS₂和FeS在2A g ^-1時的循環性能，(D)倍率性能，(E) 5A g^-1時的長循環性能。

為研究NiS₂/FeS的動力學性能，對材料進行了電化學阻抗測試。并計算了鈉離子擴散系數，表明NiS₂/FeS具有最高的鈉離子擴散系數（1.3×10^-9 cm² s^?1）。進一步分析NiS₂/FeS的CV曲線，表明NiS₂/FeS在儲鈉動力學過程中，電容控制占主導。

圖5. ?(A)電化學阻抗譜(EIS); (B) ω^?1/2與Z’在低頻區的線性擬合

圖6. NiS₂/FeS的動力學分析。(A) 0.1 mV s^-1到2 mV s^-1的CV曲線，(B)根據CV擬合得到的log i 與log v關系圖，(C)不同掃速下電容貢獻和擴散貢獻比例，(D)在2 mV s^-1時電容貢獻的細節圖

DFT進一步驗證了NiS₂/FeS的儲鈉機理，在異質結界面處，具有更低的鈉離子擴散勢壘和更高的電荷態密度，因此展現出更高的導電性。此外，NiS₂/FeS具有更高的鈉離子吸附能，在反復的離子脫嵌過程中，結構保持穩定，展現出更加穩定的長循環性能。

圖7. (A) Na離子遷移路徑，(B)能壘，(C)吸附能，(D)態密度。

NiS₂/FeS表現出優異的儲鈉性能，在50 A g^-1下的超高倍率下，可逆容量達156 mAh g^-1，在5 A g^-1的電流密度下，循環1000圈以后，比容量仍能保持為606 mAh g^-1，遠高于其他過渡金屬硫化物。密度泛函理論計算進一步論證了異質結界面提高儲能特性的機理。

該工作為設計具有異質結構的復合功能材料提供了一種有效的方法。

陳俊松，電子科技大學教授，主要從事新型納米功能材料的設計以及其在能源與催化領域的應用。研究興趣包括界面異構材料在鈉離子電池、鋰硫電池、電解水等能源系統中的應用與機理研究。目前在材料化學類雜志上發表學術論文90余篇，SCI引用達到10000多次，其中多篇入選ESI高被引文章，H指數?47。主持國家科技部重點研發計劃子課題等項目。多次入選科睿唯安全球高被引科學家、愛思唯爾中國高被引學者榜。

嚴東，電子科技大學材料與能源學院2020級碩士研究生。研究方向為鈉離子電極材料的制備與改性。以第一作者在Energy Material Advances，ChemSusChem，ChemElectroChem?等國際期刊發表相關論文3篇。