催化作用被认为是解决锂硫电池缓慢的电化学反应和穿梭效应的有效手段。东华大学邹儒佳和罗维研究员等报道了一种原位氮化技术，合成了超薄MXene-TiN异质结(MX-TiN)，并通过去模板法构造了纳米空心球。通过对MXene进行可控的氮化处理，层状TiN沿着内部MXene生长，构成了仅有数纳米的超薄异质结构。这种超薄结构有利于电子快速从MX-TiN导电基体扩散到活性物质硫，提高了硫的电化学反应活性。并且，超薄异质结有效增加了比表面积，丰富了表面的吸附和催化位点。更重要的是，异质结表面TiN(001)面由金属性质的Ti-3d态主导，提高了异质结的导电性，为电子的快速传输提供了通道。同时，DFT理论计算和系统的实验证实了异质结较纯MXene对多硫化物表现出更强的吸附力，抑制了多硫化物的穿梭；并且减小了多硫化锂的成核和分解势垒，对活性物质硫的电化学转化起到了双向催化效果。电化学性能优异，S/MX-TiN复合正极具有稳定的循环性能，每循环衰减率仅为0.022%(1000圈)，在大载硫量(10.16 mg/cm²)、贫电解质(7.84 μL/mg)条件下，仍然输出了8.27 mAh/cm²的超大面积容量。
 
Fig 1. (a)MX-TiN及S/MX-TiN的合成示意图；(b)Ti₃AlC₂、Ti₃C₂TₓMXene及MX-TiN的XRD图谱；(c-e) MX-TiN的形貌表征；(f)MX-TiN的高分辨TEM图可以观察到异质结晶界；(g)MX-TiN的元素分布图。
 
Fig 2. (a-c) MX-TiN的XPS精细谱图；(d)MX-TiN的EDS元素分析及含量；(e)MX-TiN、MX-TiO₂及MXene的氮气吸附脱附曲线；(f)不同样品的热重曲线。
 
Fig 3. (a) MX-TiN及MXene对Li₂S₆的优化吸附模型；(b)MX-TiN及MXene对不同多硫化锂的吸附能对比；(c)可视化吸附实验；(d)吸附后多硫化锂溶液的紫外可见光吸收谱；(e)MX-TiN吸附多硫化锂后的硫元素XPS谱。
 
Fig 4. (a) 多硫化锂在MX-TiN及MXene表面的转化势垒；(b)对称电池的CV曲线；(c-e)不同样品的硫化锂沉积曲线；(f)S/MX-TiN不同充放电位置的非原位Raman曲线；(g)S/MX-TiN在不同扫速下的CV曲线；(h)I-v1/2线性拟合。
 
Fig 5. (a-c) 不同样品对多硫化锂的吸附及催化机理示意图。
 
Fig 6. (a) 不同正极的充放电曲线对比；(b)倍率测试；(c)0.2C循环测试；(d)5C循环测试；(e)S/MX-TiN在5.15 mg/cm⁻²硫载量及11.61 μL/mg电解液条件下的倍率测试；(f)S/MX-TiN在不同载硫量及不同电解液含量下的0.2C循环测试；(g)文献对比。
 
        相关研究工作由东华大学Rujia Zou课题组于2023年在线发表在《Nano-Micro Letters》期刊上，原文：Construction of ultrathin layered MXene TiN heterostructure enabling favorable catalytic ability for high areal capacity lithium–sulfur batteries。

转自《石墨烯研究》公众号