自组装Co-MOF@MXene异质结构作为双功能电催化剂助力高性能锂硫电池

锂硫电池因多硫化物转化动力学迟缓和容量衰减快等问题面临商业化瓶颈。哈尔滨工业大学团队通过自组装策略构建了钴基金属有机框架(Co-MOF)与MXene纳米片的异质结构(CM@MX)，实现了多硫化物的高效锚定与双向转化。该材料展现出1161.5 mAh g?1 (0.1 C)的高倍率性能和63%的循环稳定性(250次)，为开发高能量密度储能系统提供了新思路。

　　

锂硫电池(Li-S)因其高达1675 mAh g^?1
的理论比容量和2600 Wh kg^?1
的能量密度，被视为下一代储能技术的希望之星。然而，多硫化锂(LiPSs)的溶解引发的"穿梭效应"、硫正极的绝缘性以及充放电过程中的体积膨胀等问题，如同三座大山阻碍着其商业化进程。更棘手的是，缓慢的多硫化物转化动力学导致电池容量如沙漏般快速流失，循环寿命大打折扣。

哈尔滨工业大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向两种明星材料——具有催化活性的钴基金属有机框架(Co-MOF, CM)和导电性优异的MXene(MX)。通过精巧的自组装工艺，他们成功构建了CM@MX异质结构，犹如在纳米尺度搭建了一座"立交桥"：零维的CM纳米颗粒作为催化"微反应器"高效转化多硫化物，二维MXene纳米片则构成快速电子传输的"高速公路"。这种设计不仅解决了MOFs导电性差的先天缺陷，更通过Co-S/Ti-S界面相互作用形成"分子锁"，将多硫化物牢牢锚定。

研究采用三步法：首先通过氢氟酸蚀刻制备MXene纳米片，再通过溶剂热法自组装CM纳米颗粒，最后通过冷冻干燥构建分级多孔结构。X射线光电子能谱(XPS)和同步辐射等技术证实了界面化学键的形成，电化学测试则系统评估了材料的催化性能。

设计表征
扫描电镜显示CM纳米颗粒均匀分布在MXene片层上，形成丰富的介孔/大孔结构。XPS证实界面处存在Co-S/Ti-S键，这种"双活性位点"设计使多硫化物吸附能提升至-3.21 eV，显著高于单一组分。

电化学性能
在0.1 C下CM@MX-2正极展现出1161.5 mAh g^?1
的容量，5 C时仍保持314.7 mAh g^?1
。原位紫外光谱揭示其能将长链Li₂
S₆
快速转化为短链Li₂
S₂
/Li₂
S，转化效率较纯MX提升2.3倍。

机理研究
理论计算表明CM的钴活性中心可降低Li₂
S分解能垒至1.03 eV，而MXene的钛位点促进Li⁺
扩散。这种"分工协作"使成核过电位降低至98 mV，显著提升硫利用率。

这项发表于《Materials Today Energy》的研究开创性地提出"界面工程+结构设计"双轨策略，不仅为锂硫电池提供了可规模化的正极材料设计方案，更深化了对多硫化物转化机制的认识。特别是通过精准调控异质界面化学键，实现了"吸附-催化"功能的协同增强，为其他储能系统的催化剂设计提供了普适性范式。值得一提的是，研究中采用的低温自组装工艺易于放大生产，使得这项实验室成果向产业化迈出了坚实一步。