三壳层空心FeS/MoS2异质结构负极：内置电场协同效应实现超稳定钠离子存储

这篇研究通过分子与微结构工程构建了三壳层空心FeS/MoS2@NC异质结构（SIBs负极），其高效内置电场显著提升了Na+扩散动力学（451.5 mAh g?1@9000次循环）。超顺磁性Fe0纳米点的原位生成进一步增强了低电位下的钠存储能力，为高性能钠离子电池（SIBs）负极设计提供了新范式。

　　

Abstract

金属硫化物因高理论容量和低成本成为钠离子电池（SIBs）理想负极，但单一硫化物的缓慢Na⁺扩散动力学和低本征电导率限制了其应用。本研究通过Fe₂(MoO₄)₃同步硫化构建了三壳层空心FeS/MoS₂@NC异质结构，其紧密界面产生的高效内置电场（方向：FeS→MoS₂）使Na⁺扩散能垒降低至10^?10–10^?12 cm² s^?1。

Graphical Abstract

MoS₂的半导体特性导致Na⁺在边缘与中心反应速率不均，而FeS/MoS₂异质界面通过自发电荷转移（KPFM显示表面电位61.9 mV）形成空间电荷区，结合三壳层平行电路设计，使电极在5 A g^?1下实现77.44%的赝电容贡献率。

1 Introduction

SIBs因钠资源丰富备受关注，但石墨负极无法适配Na⁺（0.102 nm）的大离子半径。MoS₂虽具有0.62 nm层间距优势，但2H相的本征低电导率导致反应动力学迟滞。本研究通过HoMS（空心多壳层）结构与异质结协同策略，同步解决体积膨胀与离子传输瓶颈。

2 Results and Discussion

DFT计算：FeS/MoS₂异质结的Na⁺吸附结合能（-2.81 eV）高于单一组分，ELF分析显示S原子周围电子局域化减弱。结构表征：TEM证实三壳层厚度均一（≈18 nm），XAS证实Fe-S键长偏移（2.36→2.28 ?），表明内置电场改变电子结构。电化学性能：在0.1 A g^?1下获得611.8 mAh g^?1可逆容量，25 A g^?1超快充放电时仍保持246.1 mAh g^?1。

原位分析：XRD捕捉到Na_xFeS（28.6°）→Fe⁰（44.6°）的相变路径，HRTEM观察到3 nm Fe⁰纳米点与Na₂S界面。机制解析：低电位下Fe⁰的高自旋态诱发自旋极化表面电容，形成Na⁺“离子蓄水池”，通过异质结向MoS₂快速输运。

3 Conclusion

该工作通过“异质结电场调控+多壳层缓冲”双策略，突破硫化物负极的循环稳定性极限。全电池Na₃V₂(PO₄)₃@rGO//T-FeS/MoS₂@NC在1 A g^?1下循环400次容量保持56.4%，柔性软包电池可驱动家用温度计，展现产业化潜力。