南昌大学雷水金教授&山东大学熊胜林教授， AFM：熔融盐刻蚀策略构筑过渡金属硫代亚磷酸盐/MXene复合结构高性能储钠

路易斯酸刻蚀原位构筑系列硫代亚磷酸盐/MXene复合结构实现优异的储钠性能

第一作者：钟隆盛

通讯作者：雷水金*，熊胜林*

单位：南昌大学，山东大学

近年来，金属硫代亚磷酸盐（MTP）因其宽的层间距和连续的转化-合金反应过程而被认为有望成为高性能钠离子电池（SIBs）负极材料。然而，MTP负极固有的低电导率和易粉碎的特性限制了其应用。与MXene复合被认为是一种有效的策略去提升各种半导体材料的储钠性能。然而，传统的机械混合或液相复合方法耗时耗力。因此，开发一种高效便捷的合成策略制备金属硫代亚磷酸盐/MXene复合材料至关重要。本研究通过路易斯熔融盐刻蚀和随后的原位磷硫化策略可控制备了一系列硫代亚磷酸盐/MXene复合物，均显示出优异的储钠性能。

近日，来自南昌大学的雷水金教授与山东大学的熊胜林教授合作在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上发表题为“In Situ Universal Construction of Thiophosphite/MXene Hybrids via Lewis Acidic Etching for Superior Sodium Storage”的研究文章。本研究首先通过高效、环保的熔融盐刻蚀方法制备了一系列过渡金属 (Fe, Co, Ni, Cd)/MXene前驱体。随后，对这些前驱体进行同步磷硫化处理，成功制备了一系列过渡金属硫代亚磷酸盐 (FePS₃, CoPS, NiPS₃, CdPS₃)/MXene复合材料。得益于MXene导电基底的引入，与纯MTP负极相比，这些复合材料的倍率性能和循环稳定性均显著提升。此外，该复合策略亦缩短了制备时间，提高了实验安全性。

图1 复合电极的合成路线

要点一：过渡金属硫代亚磷酸盐/MXene复合物的普适构建

路易斯熔融盐刻蚀是一种环保且高效的MXene制备策略。此方法的重要优势在于，制备过程中可以将过渡金属原子均匀地负载在MXene表面。受到这一启发，对这些过渡金属/MXene复合物进行同步磷硫化处理，有望得到MTP/MXene复合材料。本研究通过使用不同的熔融盐，成功制备了一系列MTP/MXene (MTP = FePS₃, CoPS, NiPS₃, CdPS₃)复合材料。这些原位生长的MTP展示了明显的二维片状结构，均匀分布在MXene表面，形成了三维交联结构。这种独特的复合结构显著改善了与电解液的润湿性，促进了电子和离子的快速传输。

图2 复合电极的结构表征

要点二：过渡金属硫代亚磷酸盐/MXene复合物负极的储钠性能

以FePS₃/Ti₃C₂T_x MXene复合物负极为例，该材料展示了优异的储钠性能。在0.1 A g⁻¹和10 A g-¹的电流密度下，分别表现出828 mAh g⁻¹和598 mAh g⁻¹的高比容量；在5 A g⁻¹的电流密度下循环2000圈后，仍然能够提供596 mAh g⁻¹的放电比容量。由于增强的电导率和空间限域效应，与纯FePS₃电极相比，FePS₃/Ti₃C₂T_x复合物表现出较小的电荷转移电阻和更高的Na⁺扩散系数。类似地，NiPS₃/Ti₃C₂T_x、CdPS₃/Ti₃C₂T_x和CoPS/Ti₃C₂T_x负极同样展示了优异的储钠性能。

图3 FePS₃/Ti₃C₂T_x复合电极的储钠性能

要点三：FePS₃/Ti₃C₂T_x负极的储钠机理研究

原位XRD和非原位HRTEM表征技术被应用于研究储钠机理。研究结果显示，在首次充放电过程中，微弱的P–S键发生了不可逆的断裂，生成了Na3FeS3和P产物。这些产物在随后的充放电过程中，通过与Na+的转化-合金反应，共同贡献了高可逆比容量。DFT理论计算进一步研究了MXene基底的引入对电化学性能的提升效果。计算结果表明，相比于纯FePS₃负极，FePS₃/Ti₃C₂T_x复合物在费米能级附近展示了更高的态密度、更大的Na+吸附能和更低的扩散势垒。因此，FePS₃/Ti₃C₂T_x复合物展示了更出色的倍率性能。

图4 FePS₃/Ti₃C₂T_x复合电极的储钠机理

In–Situ Universal Construction of Thiophosphite/MXene Hybrids via Lewis Acidic Etching for Superior Sodium Storage

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202407740

雷水金 教授：南昌大学教授，博士生导师，入选江西省“井冈学者”特聘教授、江西省青年科学家、南昌大学“赣江特聘教授”。2006年毕业于中国科学技术大学化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家实验室。2013-2014年，作为中组部“西部之光”访问学者于中国科学技术大学从事研究工作。2015-2016年，于香港理工大学从事博士后研究工作。2006年入职南昌大学，主要研究兴趣聚焦于功能纳米材料与器件的制备及其性能研究。主持了国家自然科学基金、国家863项目子课题、教育部博士点基金、江西省青年科学家项目、江西省科技支撑计划重点项目、江西省自然科学基金重点项目、江西省自然科学基金项目等课题10余项。相关研究成果已在Nat. Commun、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B: Environ.、ACS Mater. Lett.、Chem. Mater.、J. Energy Chem.、Chem. Eng. J. 、J. Mater. Sci. Technol.、J. Mater. Chem. A、Carbon等刊物上发表学术论文130余篇，授权国家发明专利5项。

熊胜林 教授：山东大学特聘教授，国家级领军人才，自2018年以来连续入选全球高被引科学家。研究方向：能源材料化学，一直围绕在微纳尺度下如何实现新能源材料精准可控合成与组装的关键科学问题开展基础应用研究，尝试用简单的化学原理和合成策略，可控合成结构新颖的复合组装结构材料，将其应用在碱金属二次电池、锂硫二次电池、水系电池等领域。近五年以通讯作者在Angew. Chem., Adv. Mater., CCS Chem., Sci. Bull., Nano Lett., Adv. Energy/Funct. Mater., Nano Res., J. Energy Chem.等主流刊物发表论文60余篇。论文总他引23000余次，H指数87。现在主持国家联合基金重点项目、山东省重大基础研究项目等课题。目前担任《中国化学快报》编委和《Journal of Energy Chemistry》执行编委。

钟隆盛，男，南昌大学2022级博士研究生，研究方向为过渡金属磷硫化合物的改性及其电化学性能研究。

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