中南民族大学，南昌工程学院，AFM：锌取代和MXene耦合协同提升二维层状硫化铟储钾性能

第一作者：马浏原

通讯作者：黄绍专*，胡军平*

单位：中南民族大学，南昌工程学院

钾离子电池（PIBs）以其资源的广泛可用性和成本效益，在大规模能源存储市场中具有显著的发展前景。过渡金属硫化物作为PIBs负极材料，因其出色的理论比容量和电化学活性而备受瞩目。不过，其电导率相对较低，这通常会导致较差的电化学可逆性和钾离子（K⁺）的缓慢反应动力学。另外，由于转换反应引起的体积变化，常常引起结构的损坏、固体电解质界面（SEI）的不稳定性以及与集流体的分离，这些问题限制了过渡金属硫化物在钾离子电池中的应用。为了增强电极的电化学稳定性，通过设计稳定的材料结构和调整电子结构，是提升电导率、缓解体积变化和加速K⁺反应动力学的有效方法。

近日，中南民族大学化学与材料科学学院黄绍专教授联合南昌工程学院胡军平副教授提出了一种新型二维层状硫化铟（In_1.95S₃），并采用锌取代与MXene耦合的方法，旨在克服In_1.95S₃的导电性和循环稳定性差的问题。通过构建ZnIn₂S₄/MXene（ZIS/MXene）异质结构，以MXene片为基底，ZIS纳米片垂直生长，实现了钾离子（K⁺）的快速稳定传输和结构的完整性保持。水/甘油分子的插层以及ZIS与MXene之间的异质界面耦合显著增加了层间距，为K⁺扩散提供了更为高效的通道。实验结果和理论计算表明，锌的取代显著提高了In_1.95S₃的热稳定性，缩小了带隙，降低了K⁺的扩散阻力。这些改进使得ZIS/MXene负极展现出高可逆容量（0.1 A g^-1时为424.5 mAh g^-1）、卓越的倍率性能（5 A g^-1时为185.2 mAh g^-1）以及出色的循环稳定性（1 A g^-1下1000次循环后容量保持率为84.8%）。原位和非原位表征结果揭示了ZIS/MXene负极遵循插层-转换-合金化反应机制，并伴随着从纳米片到纳米点的高度可逆形态转变。这项研究提出了一种新型的层状负极材料，该材料不仅增强了K⁺的扩散能力，还具有良好的结构稳定性，为开发高性能钾离子电池提供了一种有前景的解决方案。该文章发表在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上，该团队硕士研究生马浏原为该论文第一作者，黄绍专教授、胡军平副教授为论文通讯作者。

文章首先分析了锌取代和MXene耦合对二维层状结构层间距的影响（见图1a），发现锌的引入有效增大了层间距，而MXene的结合进一步扩展了这一间距。此外，水分子和甘油分子的插层作用也促进了层间距的扩大，为钾离子（K⁺）的快速迁移创造了有利条件。通过XRD和XPS测试对ZIS、IS/MXene和ZIS/MXene三种样品进行了详细的成分分析，证实了锌取代和MXene耦合的策略是可行的，并且XRD与XPS结果相互印证，确认了ZIS与MXene之间形成了稳定的异质界面。

文章通过扫描电子显微镜（SEM）观察显示ZIS/MXene纳米片的厚度约为193 nm（见图2b），而透射电子显微镜（TEM）进一步证实了ZIS与MXene之间的紧密结合。这种结构设计不仅促进了K⁺和电子的快速传输，而且能够有效适应充放电过程中的体积变化，维持了电极结构的长期循环的稳定性。

电化学性能测试表明，ZIS/MXene的电化学性能最优，在0.1 A g^-1的电流密度下经50圈充放电循环后依然保持424.5 mAh g^-1容量（见图3c）。同时，ZIS/MXene也具有优异的倍率性能（见图3d）：在高达5 A g^-1的电流密度下，其比容量依然维持在185.2 mAh g^-1，此外，还表现出色的循环稳定性，1 A g^-1下1000次循环后容量保持率为84.8%（见图3e）。

通过对ZIS/MXene进行CV、GITT等动力学分析，发现ZIS/MXene的b值接近1.0（见图4b），这一结果表明其表面反应过程占据了主导地位。此外，为了深入探究ZIS/MXene的电荷存储机制，进行了不同扫描速率下的CV测试，观察到其电荷存储主要通过赝电容贡献。ZIS/MXene展现出最高的K⁺扩散系数（见图4e,f），显示出其在动力学性能上的优越性。

本文介绍了一种创新的ZnIn₂S₄/MXene异质结构，该结构通过锌取代和MXene耦合，显著提升了钾离子电池的性能。这种结构中，二维层状ZIS纳米片垂直堆叠在MXene纳米片上，形成了稳固的2D异质结构，这不仅维持了In_1.95S₃原有的结构，还极大地增强了电子和K⁺的传输效率。锌的引入对于扩大层间距和优化电子结构至关重要，从而增强了材料的热稳定性、电荷转移速率和整体耐久性。动力学分析和理论计算结果表明，Zn和MXene的结合有效提升了硫化铟中K⁺的扩散动力学。ZIS/MXene负极展现出卓越的电化学性能：在0.1 A g^-1的电流密度下可逆容量高达424.5 mAh g^-1，在5 A g^-1的电流密度下优异的倍率性能为185.2 mAh g^-1，并且在1 A g^-1的电流密度下经过1000次循环后容量保持率为84.8%。原位和非原位表征结果进一步证实，ZIS/MXene负极通过可逆的插层-转换-合金化机制运行，纳米片和纳米点之间的稳定形态转变。这项研究不仅为设计稳定且可逆的层状电极材料提供了新的思路，也为先进PIB的未来发展奠定了基础。

Promoting the Potassium Storage of 2D Layered Indium Sulfide Through Zinc Incorporation and MXene Coupling, 2024, 2418733, DOI: 10.1002/adfm.202418733.