鋰硫電池超高的能量密度（2600Wh/Kg）及環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，使其成為繼鋰離子電池之后最具應(yīng)用前景的電化學(xué)儲(chǔ)能體系之一。近日，國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Advanced Energy Materials以“Controllable Sulfurization of MXenes to In-Plane Multi-Heterostructures for Efficient Sulfur Redox Kinetics”為題，在線報(bào)道了化工學(xué)院功能炭材料研究團(tuán)隊(duì)在鋰硫電池隔膜涂層改性方面的新進(jìn)展。

鋰硫電池目前存在的關(guān)鍵問(wèn)題是：放電過(guò)程中，正極單質(zhì)硫會(huì)形成多硫化鋰中間產(chǎn)物，而多硫化鋰易溶于醚類電解液，且商用聚丙烯隔膜的孔徑又遠(yuǎn)大于多硫離子的動(dòng)力學(xué)直徑，導(dǎo)致多硫化鋰在充放電過(guò)程中必然發(fā)生穿梭效應(yīng)；鋰離子與多硫化鋰之間的催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，又是影響正極單質(zhì)硫有效利用率、有效載硫量及其電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素。對(duì)此，功能炭材料研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了Mo₂C–MoS₂面內(nèi)二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)以用作隔膜涂層材料，并顯著提升了炭黑/硫正極的綜合電化學(xué)性能。

基于MAX相層間化合物的分子結(jié)構(gòu)特征，先制得二維Mo₂C MXene；再以PEO-b-PS嵌段聚合物作軟模版，采用分子自組裝法在二維Mo₂C MXene表面生長(zhǎng)介孔SiO₂，制得“三明治”結(jié)構(gòu)的介孔SiO₂-Mo2C-SiO₂；最后通過(guò)拓?fù)滢D(zhuǎn)化法并脫除SiO₂，即制得Mo₂C–MoS₂面內(nèi)二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)。Mo₂C–MoS₂的異質(zhì)界面、豐富的缺陷及其內(nèi)建電場(chǎng)特點(diǎn)，加速了固態(tài)硫化鋰的均勻沉積與溶解，提高了電子和離子的遷移/擴(kuò)散速率，并對(duì)固態(tài)硫化鋰、可溶性多硫化鋰呈現(xiàn)較高的催化氧化-還原活性，因此通過(guò)提高可溶性多硫化鋰的催化反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化效率大幅提升了炭黑/硫正極的長(zhǎng)循環(huán)容量和大電流倍率性能。其中，當(dāng)Mo₂C–MoS₂用作隔膜涂層時(shí)，炭黑/硫正極展現(xiàn)出較好的長(zhǎng)循環(huán)容量（5 C，循環(huán)1000次，444 mAh g^?1）和大電流倍率性能（0.2 C，1127 mAh g^?1；3 C，740 mAh g^?1；5 C，642mAh g^?1）。

該報(bào)道為面內(nèi)二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種新方法，也為其它MXene基二維材料的結(jié)構(gòu)控制及其在電子、光電子、能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考。

該論文由化工學(xué)院李響博士完成，詹亮教授、張永正博士、王艷莉副教授和北京航空航天大學(xué)的楊樹(shù)斌教授為該論文的通訊作者，研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。同時(shí)，該論文在材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合成與分析表征方面，得到凌立成教授的悉心指導(dǎo)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202303389