通过碘掺杂实现MoS2的大规模到界面工程：同步相变与界面化学过程，以提升钠离子存储技术

《Progress in Natural Science: Materials International》：Bulk-to-interface engineering of MoS 2 via iodine doping: Synchronizing phase transition and interfacial chemistry for advanced sodium storage

碘掺杂MoS?通过诱导2H→1T相变扩大层间距并增强电子导电性，同时表面碘促进NaF/NaI-rich SEI层形成，显著提升钠离子电池阳极容量（612.5 mAh g?1）、倍率性能（40 A g?1保持410 mAh g?1）和循环稳定性（91.4%容量保留）。

　　在当前的能源存储技术中，钠离子电池（SIBs）作为一种替代锂离子电池（LIBs）的解决方案，因其丰富的钠资源和与锂相似的电化学特性而备受关注。特别是在大规模储能系统中，钠离子电池被认为具有广阔的应用前景。然而，钠离子（Na?）相较于锂离子（Li?）具有更大的离子半径和更重的原子质量，这在电池循环过程中会引发缓慢的电化学反应动力学和严重的结构应变，从而成为开发高性能电极材料的重要挑战。

针对这一问题，研究人员正在探索多种策略，以改善电极材料的性能。其中，过渡金属二硫属化合物（TMDs）因其独特的二维层状结构和可调的物理化学性质，被认为是极具潜力的钠离子电池负极材料之一。特别是钼硫化物（MoS?）在这一领域中表现出了良好的应用前景。MoS?在自然状态下主要以两种结构形式存在：具有半导体特性的2H相和具有金属特性的1T相。尽管2H相在热力学上更为稳定，但其电导率较低，限制了在高倍率下电荷传输的效率。相反，1T相虽然在电导率方面具有优势，但其在常温下具有不稳定性，容易在重复充放电过程中转变为2H相，这导致了其在实际应用中的局限性。

为了克服这些挑战，研究者们提出了多种方法，包括碱金属或碱土金属离子的插层、化学剥离、溶剂热处理、杂原子掺杂以及界面工程等。这些方法在一定程度上能够调控MoS?的结构和电化学性能。例如，锂或钾离子的插层可以有效削弱MoS?层间的范德华力，改变钼原子的配位环境，从而触发2H相向1T相的转变。此外，通过掺杂如铁、铜或磷等杂原子，可以调整局部电子结构和晶格畸变，有助于稳定1T相的形成。然而，这些方法往往需要复杂的合成过程、苛刻的条件或有毒的化学试剂，这在实际应用中可能限制了其可扩展性和环境友好性。

在此背景下，本研究提出了一种新的策略，即通过碘掺杂来调控MoS?的电子和界面特性。碘具有较大的离子半径和较强的电负性，能够有效扩大MoS?层间的间距，并促进电子向钼原子的转移。这种电子转移不仅改变了MoS?的电子结构，还触发了2H相向1T相的自发转变。此外，碘还具有表面活性，能够增强钠离子在MoS?表面的吸附和浓度。同时，表面结合的碘能够促进电解液中PF??阴离子的分解，从而促进形成富含NaF和NaI的固态电解质界面（SEI）层。这种双重功能，既实现了相稳定化，又优化了界面特性，从而协同提升了钠离子的扩散动力学并抑制了副反应的发生。

实验结果表明，经过碘掺杂优化的1T-I-MoS?负极材料在电化学性能方面表现出色。其可逆容量达到612.5 mAh g?1（在0.1 A g?1的电流密度下），显示出较高的能量存储能力。此外，该材料在高倍率下（如20 A g?1）仍能保持410 mAh g?1的容量，表明其具有优异的速率性能。在长期循环测试中，经过2500次循环后，其容量保持率仍高达91.4%，显示出良好的循环稳定性。通过动力学分析，研究发现该材料主要通过电容型的电荷存储机制实现高性能，而对循环后的材料进行表征则确认了其形成了一层薄而均匀的SEI层，进一步增强了其在界面处的稳定性。

为了进一步验证该材料的性能，研究者将其与一种钠离子电池正极材料（Na?V?(PO?)?）结合，构建了完整的电池系统。结果显示，这种全电池在1000次循环后仍能保持约420 mAh g?1的容量，显示出良好的稳定性。这一结果表明，碘掺杂不仅能够优化MoS?的内部结构，还能够改善其与电解液之间的界面特性，从而提升整个电池系统的性能。

此外，研究还发现，虽然目前已有大量研究关注于调控电极材料的体相特性，如晶体结构和离子扩散路径，但对电极材料表面特性的调控仍然相对不足。事实上，电极材料的表面结构和功能基团对于钠离子电池的性能至关重要。它们不仅决定了电极与钠离子或溶剂分子之间的相互作用，还直接影响了界面处的溶剂化结构。这些表面特性在形成电双层（EDL）和固态电解质界面（SEI）过程中也起到了关键作用。如果这些界面现象没有得到充分调控，可能会导致反应动力学缓慢、SEI层不稳定以及界面电阻增加，最终影响电池的整体性能。因此，除了调控体相特性外，合理的表面设计也是实现高性能钠离子存储和稳定循环性能的重要手段。

本研究通过碘掺杂策略，不仅实现了MoS?从2H相向1T相的稳定转变，还通过表面活性的碘促进了SEI层的形成，从而在多个层面提升了钠离子电池的性能。碘掺杂的简便性和可控性为大规模生产和实际应用提供了可能性。这种策略为未来设计高性能电极材料提供了新的思路，尤其是在钠离子电池领域中，如何同时优化体相和界面特性，是实现高性能电极材料的关键。

综上所述，碘掺杂作为一种有效的策略，能够同时调控MoS?的体相和界面特性，为高性能钠离子电池的开发提供了重要的支持。这种材料不仅在能量存储能力、速率性能和循环稳定性方面表现出色，还为其他类似材料的改性提供了借鉴。未来的研究可以进一步探索碘掺杂对其他TMDs的影响，以及如何在不同电解液体系中优化SEI层的形成，从而提升钠离子电池的整体性能。此外，通过引入其他元素或功能基团，还可以进一步拓展材料的性能，使其在更广泛的温度和电流密度范围内保持稳定。