熊胜林教授、青年教师黄曼博士，Small观点：界面工程和无定形结构协同增强储钾性能- 大数跨境

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熊胜林教授、青年教师黄曼博士，Small观点：界面工程和无定形结构协同增强储钾性能

科学材料站

2022-02-17

导读：该观点文章分析了无定形材料硫化钼的结构特点以及与TiO2所形成的异质结构界面在提升电子传输促进储钾活性方面的作用机制，同时汇总了近期在研究此类结构的研究进展。

文章信息

合理构筑分级结构的TiO₂@A-MoS₃@NC纳米微球增强储钾性能

第一作者：黄曼

通讯作者：熊胜林*

单位：济南大学，山东大学

研究背景

钾与锂具有相似的物理化学性质，因此，钾离子电池被看做锂离子电池的替代品之一。事实上，钾元素的地壳丰度为2.47 %，是锂元素的400倍以上，并且钾离子电池的标准电极电势（-2.93 V vs SHE.）极其接近于锂（-3.04 V vs SHE.）。

此外，钾离子电池还具有独特优势：钾离子的路易斯酸性比锂离子弱，导致在电解液中其与溶剂分子形成的溶剂化离子半径相比锂要小，因此在液相中离子迁移率和电导率高于溶剂化锂离子。因此，钾离子电池电极材料的开发是当下的研究重点。

本篇观点展示了近期研究此类界面问题机理的一些工作，特别是在无定形材料MoS₃与TiO₂所形成的异质结构界面。并就如何进一步理解和解决这些问题进行了讨论。本文为未来的研究提供了方向，有助于提升储钾性能领域的研究及实际应用。

文章简介

在这里，来自山东大学的熊胜林教授与济南大学的青年教师黄曼博士合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Rationally Designed Three-Layered TiO₂@amorphousMoS₃@Carbon Hierarchical Microspheres for Efficient Potassium Storage”的观点文章。

该观点文章分析了无定形材料硫化钼的结构特点以及与TiO₂所形成的异质结构界面在提升电子传输促进储钾活性方面的作用机制，同时汇总了近期在研究此类结构的研究进展。

图1. TiO₂@A-MoS₃@NC纳米微球的合成示意图及演化过程。

图2. 负极材料在充放电过程中的原位观测。

图3. 无定形MoS₃对钾离子的吸附能以及界面迁移能垒。

本文要点

要点一：无定形MoS₃的独特结构提升储钾性能

用X射线衍射（XRD）和光电子能谱分析（XRD）方法研究了钾离子电池负极材料材料非晶态MoS₃的结构。结果表明,非晶态MoS₃的结构是由MoS₂基本结构单元S—Mo—S夹心层与无定形Sn链的均匀混合无序堆垛而成。这种一维的非晶MoS₃链状结构为钾离子的储存提供了更多的活性位点，从而增强了材料整体的储钾性能。

要点二：合理构筑异质结构

构筑异质结构一直被认为是提高储钠储钾动力学性能最有效的策略之一。文章构筑TiO₂/MoS₃异质结构，利用两类材料具有不同化学势、能级的特性，分别作为电子受体与电子供体，在界面处形成空间电荷区从而构建内电场，有效调节载流子浓度，并利用界面工程精准调节界面构型和电子结构，研究异质界面的内电场对促进离子储存/电子传输反应动力学的作用机制，这将是一件极具指导意义的研究。

要点三：密度泛函理论计算分析异质界面中电子结构特性及储钾性能

通过密度泛函理论（DFT）计算-原位（异位）微观结构表征相结合的方法，对TiO₂@A-MoS₃@NC复合电极材料在充放电过程中的组分、结构、稳定性及发生在电化学反应过程中的电子/离子迁移率等进行深入研究。

深入解析电极材料的储钾机制，研究电极材料在长循环下电极微结构的变化与性能之间的关系。在原子/分子水平研究钾离子在MoS₃上的吸附能、离子穿梭能垒等对嵌钾化合物几何构型、原子键合、电子转移和钠离子扩散/传输路径的影响规律，深层次分析电化学反应动力学特征与离子嵌入/脱出机制。

总结

本文报道了利用结构导向模板法结合低温硫化工艺制备TiO₂@A-MoS₃@NC复合电极，并系统评价了其作为高性能钾离子电池负极材料的潜力。与传统的二维层状2H- MoS₂相比，非晶态MoS₃由二硫化物和硫化物配体桥接的一维Mo链组成。

非晶MoS₃凭借其独特的分子结构以及所构筑结构的协同作用，使材料表现出优异的储钾性能，在0.5 mA g⁻¹的电流密度下,充放电循环200圈后仍能达到345 mAh g⁻¹的比容量，在5 A g⁻¹的倍率性能时，放电容量可达104 mAh g⁻¹，长循环性能在2A g^-1的大电流密度下，循环1000次后，容量可达144 mAh g⁻¹，该储钾性能大大优于所有现有的MoS₂基钾离子电池电极材料。

DFT计算也证实了我们的实验探索，与二维层状MoS₂相比，一维链状非晶MoS₃材料提供了更多开放的K⁺吸附位点，且K⁺离子扩散势垒更小。本工作不仅提出了一种新型的钾离子电池负极材料，解决了钾离子电池负极材料面临的离子扩散率低、钾反应动力学差、钾/脱钾过程中体积变化大等主要问题，但也提供了一种方法，可以推广到制造一种非晶态金属硫族化合物的材料应用于电化学能源存储和转换。

文章链接

“Rationally Designed Three-Layered TiO₂@amorphous MoS₃@Carbon Hierarchical Microspheres for Efficient Potassium Storage”

https://doi.org/10.1002/smll.202107819

通讯作者简介

熊胜林教授

熊胜林，山东大学教授，博士生导师，山东省泰山学者特聘专家，全球高被引科学家。2001年6月本科毕业于安徽工程大学。2007年6月毕业于中国科技大学无机化学专业获得博士学位 (导师：钱逸泰院士)。2011年7月加盟山东大学化学与化工学院，从事教学和科研工作，始终坚持“以本为本、德行兼备、科教报国的教学理念”；研究方向：无机介观能源材料化学，一直围绕介观能源材料化学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，可控合成新颖的无机介观尺度复合组装结构材料，并将其应用在能源存储与转化等领域。近五年以通讯作者在Angew. Chem.，Adv. Mater.，Nano Lett.，Adv. Energy Mater.，Energy Environ. Sci.，ACS Nano，Nano Res.，J. Energy Chem.等发表论文60篇。论文被引13600余次，H指数64。近五年主持国家联合基金重点项目、山东省重大基础研究项目、面上项目等省部级项目10余项，在国内外学术会议上做主题和邀请报告20余次。

第一作者简介

黄曼 博士毕业于山东大学钱逸泰院士、熊胜林教授团队

现就职于济南大学前沿交叉科学研究院刘宏教授、周伟家教授团队。申请人自2014年起一直从事储能材料的研究工作，在锂/钠/钾离子电池电极材料的结构设计与调控、储能机理探究等方面具有良好的研究基础，形成了研究特色并取得了一系列研究成果：申请人以第一作者或导师一作在Adv. Energy Mater.（1篇）, J. Mater. Chem. A（2篇）, Small（4篇）, J. Energy Chem.（1篇）, Sci China Mater.（1篇）, Small structure（1篇）等学术期刊上发表SCI检索论文10余篇，论文平均IF>10，2篇论文入选ESI高被引论文，单篇最高他引272余次，积累了丰富的能源材料制备的实践经验。

课题组介绍

熊胜林教授课题组一直从事无机介观能源材料化学基础应用研究，主要在以能量存储与转化为导向的无机介观尺度组装结构材料的合成方法学、精准合成与储能及器件方面开展基础应用研究，获得系列创新性成果。基于新型结构导向模板的合成策略，我们设计、合成了一系列碳基介观尺度组装结构体系，通过对结构的精准调控，优化和提升了其储锂、储钠、储钾及锂硫等电池性能，有望推动下一代储能系统的发展。

课题组招聘

一、应聘条件

1. 具有海内外知名大学或研究机构化学、物理、材料等相关博士学位，或将在近期通过博士学位论文答辩；

2. 研究方向为纳米材料化学、能源化学、理论与计算化学等相关方向；

3. 具有较强的科研工作能力，勤奋努力，有良好的团队协作精神。

二、岗位职责

1. 承担实验室科研任务，独立完成相关课题；

2. 申报国家/山东省博士后基金、国家自然科学青年基金等项目资助；

3. 协助指导研究生。

三、待遇

1. 除享受山东大学博士后待遇外，此外还可获得济南市博士后人才补贴，税前年薪累计可达30-50万，另加科研产出绩效奖励 (可协商面议)。

2. 支持在站博后申请国家自然科学青年基金、中国博管会博士后基金及创新人才支持计划、山东省博士后创新专项基金等项目。