济南大学JMCA：少层 V2C MXene衍生的 3D V3S4 纳米晶体功能化碳片（V3S4@C）促进多硫化物的吸附和催化转化助力高性能锂硫电池

【文章信息】

少层 V2C MXene衍生的 3D V3S4 纳米晶体功能化碳片（V3S4@C）促进多硫化物的吸附和催化转化助力高性能锂硫电池

第一作者：谭兆霖

通讯作者：原长洲*，侯林瑞*，刘洋*

单位：济南大学材料科学与工程学院

【研究背景】

高能量密度，低成本，环境友好等优势使得锂硫电池成为公认的极具应用前景的下一代储能体系，然而严重的穿梭效应等问题却使得锂硫电池迟迟无法大规模商用。针对这些问题科研人员付出了巨大的努力也取得了一系列进展。其中最为有效的策略之一是构筑一种合理的正极材料从源头上抑制穿梭效应。

本文采用原位晶体转换策略实现了二维 (2D) V2C MXene 向三维 (3D) NiAs 型 V3S4 纳米晶体功能化碳片 (V3S4@C) 的转化。由于极性V3S4介体和导电碳骨架的协同作用，优化后的V3S4@C主体具有优异的化学/物理吸附能力和对多硫化物的高催化活性，有效缓解穿梭效应。 正如预期的那样，即使在高硫负载下，最佳的S/V3S4@C 正极材料在长循环和高倍率容量方面也表现出优异的电化学性能，这项工作为设计用于先进锂硫电池的正极材料提供了新的视角。

【文章简介】

近日，来自济南大学的原长洲教授在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Few-layered V2C MXene derived 3D V3S4 nanocrystals functionalized carbon flakes boosting polysulfide adsorption and catalytic conversion towards Li-S batteries”的研究工作。

​该项研究以少层V2C MXene材料作为前驱体通过TAA辅助原位硫化合成了三维（3D）极性V3S4介体和(2D)导电碳骨架的复合材料，该材料作为锂硫电池正极时可以有效地抑制电池循环过程种存在的“穿梭效应”从而实现高载硫情况下的高性能锂硫电池。

图1. V3S4@C正极材料助力高性能锂硫电池

【本文要点】

要点一：V3S4@C正极材料的探索与制备

以TAA辅助实现V2C MXene到V3S4@C的原位转化，SEM以及XRD图像显示，在不同的反应温度下V2C MXene的硫化程度具有较大差异。反应温度为600°C时，部分V2C MXene硫化形成V3S4晶体，表现形式为MXene表面生长出V3S4的鼓包；随着温度生高，V3S4晶体不断形核生长，在700°C时V2C MXene硫化程度趋近完全得到表面存在大小两种V3S4颗粒尺寸的V3S4@C-7样品；当反应温度高达800°C时，V3S4的结晶性进一步提升，此外小尺寸的V3S4颗粒也得以快速形核长大，最终得到表面布满大颗粒V3S4（平均尺寸：~360 nm）的V3S4@C-8样品。

图2. 三种V3S4@C样品材料的表征：(a, b) V3S4@C-6样品的FESEM图像以及 (c）XRD图像；(d, e) V3S4@C-7样品的FESEM图像以及 (f) XRD图像；(g, h) V3S4@C-8样品的FESEM图像以及 (i) XRD图像；(j) V3S4@C-6、(k) V3S4@C-7 和 (l) V3S4@C-8的生长模型示意图。

要点二： 极性V3S4与导电碳骨架相互协同实现对多硫化物的吸附与催化转化

DFT计算证实了极性介体V3S4的形成对多硫化锂有着良好的吸附与催化转化作用， 结合系统性的电化学实验可以发现V3S4@C-7样品可以充分发挥V3S4与导电碳骨架的协同作用显著加快锂硫电池的反应动力学更好地抑制穿梭效应。

图3. (a) V3S4 和 V2C 上多硫化物催化转化的吉布斯自由能曲线；如图所示，对称电池在（b）50 mV s-1 和（c）1 mV s-1的不同扫描速率下的 CV 曲线；（d) V3S4@C-6、V3S4@C-7 和 V3S4@C-8在Li2S8/TEGDME 溶液中以 2.05 V电压放电的计时电流曲线。

要点三：V3S4@C正极材料助力实现高性能锂硫电池

S/V3S4@C-7 作为正极材料，在2 C电流密度下表现出出色的倍率性能（~690.1 mAh g-1）和长循环性能（1000 次循环后容量衰减仅为 0.06%），即使在硫含量高达 4.22 mg cm-2电流密度为1 C时， 经过500圈循环后容量衰减率0.1%每圈。 这项工作为设计用于硫正极的新型高性能宿主材料提供了新的视角助力实现更为先进的锂硫电池。

图4. S/V3S4@C-7 的电化学性能测试： (a) 不同循环圈数下选定的CV 曲线； (b) 第 1、200 和 400 次循环的充电/放电曲线 (0.2 C) 和 (c) 低放电平台 (C2) 和高放电平台 (C1) 的相应放电容量；(d) V3S4@C-7 在2.0 C的长循环性能；(e) V3S4@C-7 正极材料在不同硫载量下的循环性能（1.0 C ）。

【文章链接】

Few-layered V2C MXene derived 3D V3S4 nanocrystals functionalized carbon flakes boosting polysulfide adsorption and catalytic conversion towards Li-S batteries

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ta/d2ta05602j

【通讯作者简介】

原长洲教授简介：济南大学材料科学与工程学院博士生导师，山东省“泰山学者特聘教授”，济南市C类人才（省级领军人才），省优秀青年基金、省杰出青年基金和省技术领军人才获得者。连续入选科睿唯安“全球高被引学者”（2016-2020年）和爱斯维尔“中国高被引学者”（2016-2021年）榜单。获教育部自然科学奖二等奖和省青年科技奖各一项。主持了国家自然科学基金项目（4项）和山东省自然科学基金重大基础研究项目等项目10余项。

​近年来，以第一/通信作者已在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Mater. Today、Mater. Horiz.、J. Mater. Chem. (A)、Small和Green Chem.等国际刊物上发表SCI学术论文100余篇，其中，50余篇IF > 10.0，20余篇分别被Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Mater. Today和Green Chem.以Front/Back Cover或Frontispiece的形式亮点刊载报道。

​个人H-index为68。授权中国发明专利18余。相关创新成果受到了国际著名出版商WILEY-VCH在其著名学术媒体Materials Views China、X-MOL行业资讯媒体（材料学）、Labtalk News、“能源学人”和“研之成理”等学术媒体进行了前沿进展报道。

​

侯林瑞教授简介： 济南大学材料科学与工程学院博士生导师。多年来主要致力于微/纳材料的结构设计、可控制备及光电信息功能材料的研究。以第一或通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Funct. Mater.、J. Mater. Chem. (A)和Carbon等刊物上发表SCI 研究论文70余篇。迄今，主持了国家自然科学基金（3项）等多项项目，荣获高校科学研究优秀成果奖自然科学奖二等奖（2015）和江苏省科技技术奖三等奖（2017）各一项。

​

刘洋简介：济南大学青年教师。研究方向：碱金属（Li、Na、K）二次电池及离子电容器用高性能电极材料的结构设计、调控及储能机制的基础研究。以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、J. Mater. Chem. A、Energy Environ. Mater.、Small Methods和Sci. China. Mater.等国际知名期刊发表学术论文多篇。