背景介紹
過渡金屬硫化物由于其多尺度存儲機制（插入、轉(zhuǎn)化、合金化反應(yīng)和贗電容電荷存儲過程）具有較高的理論容量，是鈉離子電池負極材料的研究熱點之一。然而，緩慢的反應(yīng)動力學(xué)、較差的離子擴散速率和體積膨脹等帶來的技術(shù)問題阻礙了其實際應(yīng)用。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以通過內(nèi)建電場效應(yīng)來增強界面反應(yīng)動力學(xué)，不同組分的協(xié)同效應(yīng)也可以避免在電化學(xué)過程中產(chǎn)生金屬納米顆粒的聚集，同時異質(zhì)結(jié)型負極材料在充放電過程中通常會形成反應(yīng)中間體，化學(xué)活性較低的中間體將減緩化學(xué)活性較高的材料體積變化，并提升材料的循環(huán)穩(wěn)定性。但是目前制備高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)過渡金屬硫化物通常會涉及到繁瑣的工藝或特殊地成產(chǎn)設(shè)備，導(dǎo)致成本的增加且不適合大規(guī)模生產(chǎn)。因此，開發(fā)一種簡單、環(huán)保的方法來制備的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，符合當前綠色化學(xué)、降低能耗和成本的生產(chǎn)理念。
研究方法
我們創(chuàng)新性地提出了一種利用電子廢棄物中的合金黃銅作為異質(zhì)結(jié)原材料的合成策略，通過簡單的一步水熱法成功合成了具有大面積、均勻分布雪花狀結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量Cu1.94S/ZnS異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，并對Cu1.94S/ZnS異質(zhì)結(jié)材料進行了全面的儲鈉性能表征和密度泛函理論計算。
成果簡介
得益于高質(zhì)量的Cu1.94S/ZnS異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處的協(xié)同耦合作用，異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的電荷再分布誘導(dǎo)了內(nèi)部電場，從而促進了電荷轉(zhuǎn)移，增強了表面反應(yīng)動力學(xué)。此外，合金化階段異質(zhì)結(jié)構(gòu)的演變可以促進ZnS的完全合金化反應(yīng)，從而提高電極的可逆容量?；谠揅u1.94S/ZnS負極的電池表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，在100 mA g-1的電流密度下放電容量為440 mAh g-1，在2000 mA g-1的電流密度下循環(huán)3000次后放電容量仍有335 mAh g-1。因此，這種制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合成方法為尋找高性能鈉離子電池負極提供了一種新的綠色和可持續(xù)的途徑。
圖文導(dǎo)讀
圖1. Cu1.94S/ZnS的制備和結(jié)構(gòu)表征
圖2. Cu1.94S/ZnS和Cu1.94S的儲鈉性能表征
圖3. Cu1.94S/ZnS的密度泛函理論計算
作者簡介
張秋禹教授：西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院院長。主要研究方向為多孔聚合物材料、微納米有機/無機材料雜化材料，仿生智能與功能性高分子材料等。作為課題負責(zé)人先后承擔(dān)國家自然科學(xué)基金重點項目、面上項目、973前期課題、863重大專項課題、國防基礎(chǔ)科研、國防技術(shù)基礎(chǔ)、多項軍品型號配套項目、陜西省自然基金、陜西省科技計劃項目、航空基金、航天基金等多項課題的研究。在Science、Nat. Commun.、Angew、Nano Res.等國內(nèi)外重要刊物上發(fā)表SCI論文450余篇，授權(quán)專利80余項。曾獲國家科技進步二等獎、國防科技進步一等獎、全國巾幗建功標兵、馮德新高分子獎及陜西省科技一等獎等獎勵。
王天帥副教授：2021年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位，師從張千帆教授；2021年-2022年在香港科技大學(xué)機械及航空航天工程系從事訪問學(xué)者及博士后研究，師從趙天壽院士；2022年8月全職加入西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院；2023年入選“陜西省科協(xié)青年人才托舉計劃”，擔(dān)任The Innovation、Nano Materials Science、Exploration、Battery Energy、EcoEnergy、Tungsten和Microstructures等國際期刊青年編委。主要研究方向為高比能電池電極材料及CO2電催化材料的理論設(shè)計，目前已發(fā)表SCI論文50余篇，其中以（含共同）第一作者及通訊作者在Nat. Catal.、PNAS、Angew、Adv. Mater.、Nano Res.等高影響力國際期刊發(fā)表論文29篇。
文章信息
He X, Wang T, Tian L, et al. Recycling the spent electronic materials to construct a high-performance Cu1.94S/ZnS heterostructure anode of sodium-ion batteries. Nano Research, 2023
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