张海军教授、李高然教授和雷文副教授，CEJ观点：多级孔Ti3C2Tx/Co中空管内原位构建碳纳米管导电网络结构助力高性能锂硫电池

第一作者：管可可

通讯作者：张海军*，李高然*，雷文*

单位：武汉科技大学，河南工程学院，南京理工大学

MXene作为锂硫电池的硫宿主材料表现出广阔的应用前景，其表面丰富的官能团和暴露的过渡金属(M)活性位点可以抑制充放电中间产物多硫化物的溶解和穿梭，显著提高活性物质硫的利用率。然而，MXene材料直接被用来作为锂硫电池的载硫材料并不能充分发挥其独特的优势，一方面是由于在干燥和使用过程中MXene纳米片的重新堆积问题，极大地降低了其可用比表面积，不利于活性位点的充分利用以及活性物质硫载量的提高。另一方面，原始MXene的孔体积较小，不利于活性物质硫的负载。此外，MXene表面的活性位点对多硫化物的吸附作用和催化转化能力有限。因此，对MXene进行结构设计和改性时，不仅要改善MXene纳米片的堆叠团聚问题，有效调控其孔结构，而且还要提高其对多硫化物的物理限域和化学吸附能力以及催化转化能力，充分发挥结构和组分的协同作用，来提高锂硫电池的电化学性能。

近日，武汉科技大学雷文副教授/张海军教授团队，联合南京理工大学李高然教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Hierarchical Co-doped Hollow Ti₃C₂T_xTubes with Built-in Electron/Ion Transport Network for High-Performance Lithium Sulfur Batteries”的研究文章。该研究文章通过借助钴纳米颗粒的催化作用，创新性地在Ti₃C₂T_xMXene纳米片构建的中空管管壁内外原位合成碳纳米管导电网络结构，构筑具有多级孔结构的MXene基复合材料(HTCTs/Co/CNTs)，显著改善了MXene纳米片的堆叠团聚问题，提高了其导电性能。得益于结构与组分的协同作用，该复合材料为活性物质硫提供了足够的存储空间，解决了硫载量低的问题；同时实现了MXene基载硫材料对多硫化物物理限域和化学吸附，提升了多硫化物的催化转化能力，提高了正极硫的利用率和循环稳定性。

利用静电纺丝工艺制备聚甲基丙烯酸甲酯/乙酰丙酮钴纤维，而后与少层Ti₃C₂T_xMXene纳米片进行静电组装，再经热处理将有机物裂解的碳氢气体原位催化形成碳纳米管，最后制备Ti₃C₂T_x/Co中空管，并在管壁内外原位构建碳纳米管导电网络结构，构筑具有多级孔结构的MXene基载硫材料。

得益于多级孔结构的设计，HTCTs/Co/CNTs复合材料表现出优异的物理吸附作用；金属Co纳米颗粒的引入，显著提高了MXene材料对多硫化物的化学吸附和催化转化能力。这些结果表明HTCTs/Co/CNTs复合材料对多硫化物的转化具有优异的双向催化特性，可以显著缓解了充放电过程中的穿梭效应，加快多硫化物的转化反应动力学。

由于结构与组分的协同优化，HTCTs/Co/CNTs/S复合电极表现出较高的正极硫利用率和优异的电化学性能。当硫含量为69 wt%时，该电极在0.2 C的倍率下，循环100圈后容量还能保持在901.9 mAh g^-1；在1.0 C的倍率下，循环500圈后容量还能保持在725.9 mAh g^-1；远高于目前报道的大多数MXene基硫正极材料的电化学性能。

得益于多级孔中空管状结构的设计，HTCTs/Co/CNTs复合材料在负载较高含量的正极硫时，其形貌结构还能保持；在高载硫量和贫电解液条件下，HTCTs/Co/CNTs/S复合电极依然表现出较高的面积比容量。原位拉曼结果进一步证明HTCTs/Co/CNTs复合材料具有优异的多硫化物穿梭效应抑制能力和转化能力；原位阻抗测试结果表明HTCTs/Co/CNTs复合材料具有优异的电子/离子电导率和可逆的氧化还原反应。

该工作成功开发了一种内置碳纳米管导电网络的多级孔中空管状结构，显著缓解了二维MXene纳米片的堆叠团聚，提高了材料的表面积和导电性能，为活性物质硫的负载和循环过程中活性物质的体积膨胀提供了足够的空间。由于结构和组分的协同优化，显著提高了材料对多硫化物的吸附和催化转化能力，有效抑制了多硫化物的穿梭效应，改善了硫转化反应动力学和电化学性能，为高性能锂硫电池硫宿主材料的开发提供了新思路。

Hierarchical Co-doped Hollow Ti₃C₂T_xTubes with Built-in Electron/Ion Transport Network for High-Performance Lithium Sulfur Batteries

雷文副教授简介：武汉科技大学副教授，湖北省“楚天学子”，澳门青年学者。主要研究方向为先进功能材料和新能源器件，主持国家自然基金、湖北省自然科学基金等项目。以第一作者或通讯作者在Energy Environ Sci., Mater. Today, ACS Nano, Adv. Funct. Mater等期刊发表论文50余篇，被引5000余次，H值为37。担任国家自然科学基金通讯评审专家及Nature Communications、Advanced Materials等数十个期刊审稿人。

李高然教授简介：南京理工大学教授，国家级青年人才，江苏省特聘教授。主要从事电化学储能材料与器件以及相关表界面过程的研究，聚焦锂硫电池、锂金属电池、固态/准固态电池等。以第一或通讯作者在Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Energy Environ. Sci.等期刊发表论文40余篇；承担国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等多项国家及省部级项目；担任Renewables、InfoMat期刊青年编委。

张海军教授简介：武汉科技大学教授，博士研究生导师。湖北省“楚天学者”计划特聘教授。主要研究方向为多孔陶瓷、耐火材料、纳米催化剂和材料计算。在Nature Materials及Advanced Materials等国内外知名刊物上发表学术论文520余篇，论文被SCI检索330余篇，被EI检索360余篇。目前为冶金过程物理化学学会及中国工程陶瓷学会的理事，并担任《耐火材料》、Interceram、China’s Refractories以及Materials的执行编委。

管可可简介：2023年至今，河南工程学院讲师；2019年至2023年，在武汉科技大学攻读材料科学与工程博士学位。主要研究方向为MAX相材料的制备、低维材料的结构设计及其在电化学能源存储与转换领域的应用。