构建ZnS/Sb2S3异质结作为高性能钠存储的离子传输促进器

【背景】

金属硫化物因其出色的氧化还原性和相对较高的容量，在钠离子电池方面显示出巨大的前景。然而，金属硫化物在充放电过程中普遍存在电荷传输迟缓和体积变化严重的问题。

【工作介绍】

本工作通过硫化反应，以及随后的Zn2+和Sb3+之间的金属阳离子交换过程，精确地合成了土豆片状的氮掺杂碳涂层ZnS/Sb2S3异质结（ZnS/Sb2S3@NC）。理论计算和实验研究揭示了ZnS/Sb2S3@NC复合材料中电荷转移的提升。因此，ZnS/Sb2S3@NC电极表现出优异的循环稳定性（450次循环后可逆容量高达511.4 mAh g-1）和卓越的速率性能（10 A g-1时为400.4 mAh g-1）。

此外，ZnS/Sb2S3@NC是基于转换-合金反应机制来储存Na+，这一点通过X射线衍射和高分辨率透射电子显微镜分析得到了披露。这种有效的合成方法可以为钠离子电池其他高性能电极材料的设计提供参考。



示意图 1. 薯片状 ZnS/Sb2S3@NC 复合材料制备过程示意图。



图 1. a、b) FESEM、c、d) TEM 和 e) ZnS/Sb2S3@NC 的 HRTEM 图像。f–k) ZnS/Sb2S3@NC 的 STEM 图像和相应的 Zn、Sb、S、C 和 N 元素的元素映射。



图 2. a) XRD 图和 b) ZnS、ZnS@NC、Sb2S3@NC 和 ZnS/Sb2S3@NC 的拉曼光谱。c）N2吸附-脱附等温曲线，插图为ZnS/Sb2S3@NC的相应孔径分布曲线。d) ZnS/Sb2S3@NC 的调查 XPS 光谱。ZnS/Sb2S3@NC 的 e) Sb 3d、f) Zn 2p、g) S 2p、h) C 1 s 和 i) N 1s 的高分辨率 XPS 光谱。



图 3.电化学性能。



图 4. a) ZnS/Sb2S3@NC 电极在不同扫描速率下的 CV 曲线。b) ZnS/Sb2S3@NC 电极的峰值电流与扫描速率的关系图。c) ZnS/Sb2S3@NC 电极在 0.7 mV s-1 时的详细电容贡献。d) 四个电极在不同扫描速率下的电容和扩散控制容量。四个电极在 e) 放电和 f) 充电过程中的反应电阻。与四个电极相比，g) 放电和 h) 充电过程中的 DNa+。



图 5. a–c) ZnS、Sb2S3 和 ZnS/Sb2S3 复合材料的态密度。d）异质结构（Sb2S3-ZnS-Na）中ZnS侧和异质结构（ZnS-Sb2S3-Na）中Sb2S3侧的钠吸附位点。e）所提出配置的钠吸附能。f) 具有来自自建电场的累积 Na+ 的异质界面示意图。



图 6. ZnS/Sb2S3@NC 的异位 TEM、HRTEM 和 SAED 图像：a-d) 放电至 0.01 V，e-h) 充电至 3 V。i) ZnS/Sb2S3@NC//Na3V2(PO4)3/rGO 全电池示意图。j) 充放电曲线和 k) 全电池在 500 mA g-1 下的循环性能，在 (k) 中插入了全电池供电的 LED 灯。

总之，通过简单的阳离子交换方法将Sb2S3引入ZnS，成功地制备了ZnS/Sb2S3@NC复合材料。获得的ZnS/Sb2S3@NC复合材料显示出卓越的循环稳定性（450次循环后可逆容量为511.4 mAh g-1）和出色的速率性能（在10 A g-1的高电流密度下可逆容量为400.4 mAh g-1）。

理论计算和实验研究的结合表明，ZnS/Sb2S3@NC复合材料的电荷转移得到了提升，这也是其出色速率性能的原因。更令人鼓舞的是，ZnS/Sb2S3@NC/Na3V2(PO4)3/rGO全电池在50次循环后表现出226.2 mAh g-1的高容量。ZnS/ Sb2S3@NC复合材料的制备策略可以为合成其他高性能的SIB正极材料提供启示。

审核编辑：刘清