MXene/SnS Mott-Schottky异质结构调控锂硫电池中硫还原反应动力学的突破性研究

锂硫电池（LSBs）因多硫化锂（LiPSs）穿梭效应和反应动力学缓慢等问题限制其商业化应用。华中科技大学团队通过构建Ti3C2Tx/SnS Mott-Schottky异质结构，利用内置电场促进电荷转移和LiPSs定向迁移，显著提升硫利用率和反应速率。该研究实现了1367.1 mAh g?1的高初始容量和500次循环后85.6%的容量保持率，为高能量密度电池设计提供新思路。

　　

锂硫电池（Lithium-sulfur batteries, LSBs）因其高达2600 Wh kg^?1的理论能量密度和硫的低成本特性，被视为下一代储能技术的希望之星。然而，硫的绝缘性（5×10^?30 S cm^?1）、80%的体积膨胀、多硫化锂（LiPSs）的溶解穿梭以及锂枝晶生长等问题，如同四座大山阻碍其实际应用。传统碳基材料虽能改善导电性，但对LiPSs的吸附和催化能力有限。如何构建兼具导电网络、催化活性和结构稳定性的电极材料，成为破解LSBs困局的关键密码。

华中科技大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向二维材料MXene（Ti₃C₂T_x）与金属硫化物SnS的联姻。MXene以其优异的导电性和丰富的表面官能团著称，但催化活性不足且易堆叠；SnS则拥有高于SnS₂三个数量级的电导率（0.193 S cm^?1）和层状结构优势。研究人员通过原位生长法在Ti₃C₂T_x表面构建SnS纳米片，形成三维多孔Ti₃C₂T_x/SnS Mott-Schottky异质结构，其内置电场如同“分子级水泵”，驱动LiPSs从SnS向MXene定向迁移。这项突破性成果发表于《Journal of Energy Chemistry》。

关键技术方法
研究采用LiF/HCl蚀刻Ti₃AlC₂制备少层Ti₃C₂T_x，通过水热法原位生长SnS并经500℃退火形成异质结。利用X射线光电子能谱（XPS）验证界面电子转移，紫外光电子能谱（UPS）测定功函数差（1.43 eV），证实内置电场存在。通过3D打印技术制备高载硫（12.7 mg cm^?2）电极，结合电化学阻抗谱（EIS）和恒电流间歇滴定技术（GITT）分析动力学特性。

研究结果

1. 材料设计与表征
   扫描电镜显示三维多孔结构有效防止MXene堆叠，比表面积达49.8 m² g^?1。XPS证实SnS与Ti₃C₂T_x界面存在电子转移，Sn 3d轨道结合能正移0.4 eV。

2. 电化学性能
   Ti₃C₂T_x/SnS/S电极在0.1 C下展现1367.1 mAh g^?1的初始容量，3 C倍率下仍保持602.7 mAh g^?1。500次循环后容量衰减率仅0.029%/圈，优于纯MXene（0.067%/圈）。

3. 机理分析
   同步辐射X射线吸收近边结构（XANES）证明SnS向LiPSs提供电子，而MXene捕获电子形成双极性吸附。原位拉曼光谱观察到Li₂S₂在异质界面优先成核，分解能垒降低37%。

结论与意义
该研究通过精准设计Mott-Schottky异质结构，实现三大创新：（1）内置电场加速电荷转移，使Li⁺扩散系数提升至1.27×10^?9 cm² s^?1；（2）三维多孔框架将电解液渗透率提高3倍；（3）定向迁移效应使LiPSs转化速率提升85%。3D打印电极15.0 mAh cm^?2的面容量，为电动汽车高能量密度电池开发提供新范式。通讯作者Jun Jin（金钧）团队指出，这种“电场驱动+界面催化”协同策略可拓展至其他金属硫化物体系，为下一代储能材料设计开辟新路径。