电子注入和原子界面工程用于稳定缺陷的1T富MoS2作为储钠高速阳极

研 究 背 景

1T相MoS2具有金属导电性、丰富的活性位点和高理论容量，是一种很有前途的电化学储能电极材料。然而，由于亚稳态1T相MoS2惯性地通过重新堆叠转化为稳定的2H相，因此在高电流密度下较差的倍率容量和循环稳定性阻碍了它们的应用。此外，通常需要通过退火工艺提高MoS2的结晶度，形成更多的活性位点，但也会遇到从1T到2H的相转变。因此，形成可以同时承受退火和电化学循环的稳定的1T相MoS2具有重要意义，并且具有挑战性的。

文 章 简 介

基于此，来自山东大学的廉刚副教授、赵明文教授、于浩海教授在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Electron-Injection and Atomic-Interface Engineering toward Stabilized Defected 1T-Rich MoS2 as High Rate Anode for Sodium Storage”的研究论文。

利用电子注入和原子界面工程的协同作用，将含有多个羟基的抗坏血酸分子插入相邻的MoS2单层之间，并通过高温处理合成了单层碳（m-C）与富1T相MoS2交替插层（1T-rich MoS2/m-C）的纳米花结构。另外进行了理论计算评估富1T相MoS2/m-C的相稳定性、电子电导率和Na+扩散行为。这项工作为用于高性能碱金属离子电池的稳定1T相过渡金属硫化物的设计提供了一条思路。

图1. -OH掺杂MoS2的理论计算以及1T-rich MoS2/m-C复合材料的合成示意图

本 文 要 点

要点一：1T相MoS2形成的理论基础

一般来说，硫空位可以在水热合成过程中自发形成，这可以降低从2H到1T的相转化势垒。此外，占据Sv位的一些官能团（例如-OH）可以实现电子注入Mo 4d轨道，这也有望降低从2H到1T的相转换势垒。利用第一性原理计算了-OH占据MoS2里的硫空位过程中2H相和1T相能量的相对变化情况。

显然，硫空位的形成和-OH基团的有效掺杂的协同效应可以加速亚稳态1T相MoS2的形成。此外，为了经受退火的考验，1T相MoS2和稳定的原子层状载体（例如石墨烯或碳层）的界面工程结合可以有效地分离相邻的1T相MoS2，避免在退火过程中1T相MoS2纳米片的重新堆叠。因此，电子注入工程和原子界面工程的协同作用有望形成稳定的1T相MoS2以实现高倍率和稳定循环的钠离子存储性能。

要点二：优异的钠储存性能

制备的1T-rich MoS2/m-C电极材料表现出优异的钠储存性能：

（1）具有良好导电性的1T相MoS2层与单层碳形成了交替插层的结构，且二者在界面上以强化学键结合；

（2）这种特殊的结构有效地稳定了1T相MoS2，改善了复合材料的导电性能和结构稳定性；

（3）这种交替插层结构也使得MoS2的层间距大幅度扩张，为离子的快速嵌入-脱出创造了有利条件。

在0.1 A g−1循环80个周期后比容量高达557 mAh g−1，甚至在2.0 A g−1的大电流密度下循环2000个周期后可逆比容量仍然维持在364 mAh g−1；在1T-rich MoS2/m-C//NaV2(PO4)3/C钠离子全电池中，在0.5 A g−1循环400个周期后可逆比容量仍达到215 mAh g−1。

图2. 1T-rich MoS2/m-C储钠性能

要点三：理论计算

利用第一性原理计算分析了1T相MoS2中的缺陷态和Na+离子的扩散行为。由于高温退火使-OH基团脱氢实现了O掺杂。对氧掺杂的1T相MoS2的电子能带结构和态密度进行了计算，结果说明O占据S空位后，1T相MoS2表现出良好的导电性。

另外对Na+的吸附能和扩散能势垒进行计算，Na占据空心位置后发生了0.84个电子的电荷转移，因此这种吸附方式具有很高的稳定性。另外，O原子掺杂引起的局部电荷再分布还会降低Na+的扩散势垒，因此，钠离子可以在O掺杂的1T相MoS2纳米片中更快地扩散和嵌入-脱出。

图3. 理论计算

文 章 链 接

Electron-Injection and Atomic-Interface Engineering toward Stabilized Defected 1T-Rich MoS2 as High Rate Anode for Sodium Storage

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c03623

通 讯 作 者 简 介

廉刚副教授简介：山东大学晶体材料国家重点实验室副教授，博士生导师。2010年获山东大学理学博士学位。专注于低维光电功能材料、电化学能量存储和转化领域，围绕高等静压作用下低维晶体和薄膜的可控生长开展基础和应用基础研究，在高等静压溶剂/水热合成方法探索、钙钛矿为代表的一系列高质量半导体薄膜生长、二次电池电极材料设计、半导体光电功能器件等方面取得了一系列重要进展。

以第一和通讯作者在Energy & Environ. Sci., Nano Energy, ACS Nano, Nano Lett., Chem. Eng. J., Chem. Mater., J. Mater. Chem. A, Adv. Opt. Mater., ACS Appl. Mater. & Interfaces, Nano Res.等该领域国际知名期刊上发表SCI论文50余篇，授权发明专利10余项，主持国家级及省部级科研项目6项。

审核编辑 ：李倩