氮掺杂多孔碳异质结构ZCSCF@MXene/纤维素纤维复合材料的构建及其高性能锂存储应用

本文通过溶剂热法和静电自组装技术，成功将ZnS/Co9S8（ZCS）异质结构嵌入纤维素纤维（CF）与MXene构成的三维空间体系中，制备出ZCSCF@MXene复合材料。该材料具有54.80 m2 g?1的高比表面积和丰富的结构缺陷，为Li+提供了大量活性位点，在1 A g?1下展现出1549.1 mAh g?1的高比容量和优异的倍率性能（6.4 A g?1下632.3 mAh g?1）。研究为高性能金属硫化物异质结构负极设计提供了新思路。

　　

亮点

本研究通过独特的结构设计，实现了三重协同效应：

1. 1.

   异质结电场驱动：ZCS异质结构产生的内置电场显著加速Li⁺扩散，提升反应动力学；

2. 2.

   双载体协同：氮掺杂纤维素纤维（N-CF）扩大电极/电解液接触面积，MXene二维导电网络（2D conductive network）为电子传输搭建"高速公路"；

3. 3.

   空间限域作用：三维交联结构有效抑制ZCS纳米颗粒团聚，缓解循环过程中的体积膨胀问题。

材料合成与表征

ZCSCF@MXene的制备流程如图1所示：

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  MXene剥离：采用LiF-HCl体系蚀刻Ti₃AlC₂获得单层Ti₃C₂T_x纳米片；

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  异质结构建：在聚多巴胺修饰的CF上通过二次水热反应生成Zn/Co-MOF，经硫化/碳化后形成ZCS纳米异质结；

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  静电自组装：利用MXene表面丰富的-OH/-F官能团，与带正电的ZCSCF通过静电作用复合。

电化学性能

该电极材料展现出"双高"特性：

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  容量高：1549.1 mAh g^?1的比容量远超商业石墨（372 mAh g^?1）；

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  倍率强：电流密度提升6.4倍时容量保持率仍达40.8%，归因于MXene的快速电子传导和异质结界面电荷重分布。

结论

这项工作创新性地将生物质衍生碳（CF）、二维材料（MXene）与金属硫化物异质结（ZCS）三元协同，为开发高能量密度锂离子电池（LIBs）负极材料提供了新范式，其设计策略可拓展至其他储能体系。