Small综述：金属硫磷化合物：一种有前途的先进储能材料

第一作者：张昊

通讯作者：孟格*，罗扬*，刘熙俊*

单位：温州大学，苏黎世联邦理工学院，广西大学

能源储存系统的发展在实现能源可持续性和稳定供应方面具有关键意义。作为解决能源挑战和环境难题的前瞻性策略之一，其中不可或缺的是电极材料的高效经济开发。二维材料以其独特的原子薄层结构，在能量储存和催化应用领域呈现出极具吸引力的潜力。这源于其卓越的离子嵌入和电解质扩散促进作用，以及优异的电导率、较大的比表面积和丰富的活性反应位点。其中一些材料还具备足够的力学强度，为可穿戴柔性设备的开发提供可能。近年来，对各类二维材料的广泛研究取得了蓬勃进展，其中值得关注的是金属硫磷化合物（MPX₃），被认为是具有前景的下一代储能材料。其出色的离子迁移率、可调谐的能隙、灵活的元素组合以及较大的层间距，有望满足日益增长的可持续能源需求。

近日，来自广西大学的刘熙俊教授与温州大学的孟格博士、苏黎世联邦理工学院罗扬博士合作，在学术期刊Small上发表题为“Metal Phosphorous Chalcogenide: A Promising Material for Advanced Energy Storage Systems”的综述文章。该文章归纳了MPX₃材料在储能领域的最新研究进展，总结了它们的制备方法和调控策略，最后提出了其在储能应用中的挑战和机遇。

尽管MPX₃最初于19世纪末被发现，然而，由于其特异的化学和物理性质，近年来重新引发了广泛关注，使其成为具备潜在应用前景的能量存储候选材料。与金属磷化物以及硫化物相比，MPX₃呈现出可调节的电子态和增强的电导率特性。此外，其灵活多变的元素构成（其中M代表Fe、Zn、Sn等；X代表S或Se）也为合成和调控创造了丰富的机会。在MPX₃的结构中，金属阳离子被填充于[P2X6]4-双锥体骨架的中心，而层间距离则通过范德华力弱相互作用维持在6.3到6.7 Å范围内。这种独特且宽敞的层状结构为各类原子和分子的插入提供了广阔的空间，从而在充放电循环过程中保持结构的稳定性，而这对于离子电池的正常运行具有至关重要的意义。

高质量的材料制备是材料研究的关键。目前MPX₃的合成方法大致可分为自上而下和自下而上两类。前者针对已有材料的微加工，如微机械和液体辅助剥离，这些方法能够制备具有优异结晶度和配置目标缺陷的单层或少层纳米片材料。后一种方法从原子或分子尺度开始，逐步组装材料的结构，从而便于在原子水平上进行精确控制。这使得我们能够创造出具有定制界面、纳米结构和多层结构的材料，包括化学气相传输、化学气相沉积等。

此外，为了实现其潜在的储能应用，还需要额外的调控策略来优化MPX₃的性能，如离子插层、空位工程、杂原子掺杂和材料复合。离子插层有效地增大了层间间距，为离子快速扩散提供足够空间。空位工程引入不仅显著提高了锂的结合能，还改变了周围原子的电荷分布，加速了反应过程。杂原子掺杂可增加活性反应位点数量，缩短带隙，促进反应动力学。虽然MPX₃具有高理论存储容量，其半导体特性和二维材料的团聚趋势可能影响速率性能和循环稳定性。通过与碳材料或MXene复合，可促进电荷传递，减轻体积应力。

鉴于其独特的物理化学特性，MPX₃在能源存储设备上显示出良好的应用前景，因此提高MPX₃的性能以将可再生能源整合到实际应用中势在必行。在这里，我们全面总结和分析MPX₃在多种储能系统中的最新应用进展，涵盖锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、锌空气电池以及全固态电池。这将有助于更好地理解MPX₃材料的潜能，以及如何更有效地应用于现实能源存储挑战的解决方案。

首要挑战是实现高品质的MPX₃合成。选用高纯度金属、磷和卤素化合物，优化反应条件以保障均匀性和纯度。结构调整、表面修饰和材料复合有助于增强活性位点的暴露，提供更优电子传导和减轻表面副反应，增强离子储存和初始库仑效率。

其次，有效获得单层或少层MPX₃纳米片是关键。因为减小厚度扩大比表面积，可增强活性反应位点暴露，且提升电导率。因此需开发可扩展、高效的合成策略，推进实际储能应用。

在元素组成方面，尚有未开发的组合值得尝试，此外，MPX₃储能机制需深入研究。可借助先进透射电子显微镜和光谱技术，分析新材料原子级结构、形成和电荷储存机制，为实验结果提供坚实基础。总之，MPX₃在储能领域前景广阔，期望本综述深化研究者对MPX₃的理解，推动并设计出具有优越性能和深刻机制揭示的新材料。

Metal Phosphorous Chalcogenide: A Promising Material for Advanced Energy Storage Systems

刘熙俊 教授简介：2014/07毕业于北京化工大学。2014/090～2021/11在天津理工大学工作。2021/12月调入广西大学资源环境与材料学院工作。主要从事原子功能材料设计及其能源器件应用研究。已以第一/共一/通讯作者身份在SCI期刊上发表论文110余篇，引用次数7700余次（H-index为51，google scholar），其中ESI高被引论文36篇、ESI热点论文14篇、2019年中国百篇最具影响国际学术论文1篇。