氧掺杂调节二硫化钼储锌能力提升10倍

出于对锂离子电池（LIBs）安全性与环保性的忧虑，低成本、高储量、安全高效和高能量密度的水系锌离子电池（ZIBs）逐渐进入大众视野，但由于水合锌离子较大的离子半径因而其嵌入动力学缓慢而缺乏适当的正极材料，水系锌离子电池的性能存在缺陷。

近日，阿卜杜拉国王科技大学的Husam N. Alshareef团队报道了一种通过调控嵌入能量将非活性锌离子水溶液主体转变为高效储锌载体的高效通用策略。他们以二硫化钼（MoS2）为模型体系，利用实验手段和理论计算方法证明，即便是原本Zn2+扩散十分缓慢的体系也可以实现快速的Zn2+传导。通过简单的氧掺杂的方法可以实现层间间距和亲水性的调节，将Zn2+在MoS2中的扩散速率提高了3个数量级，使得原本几乎不具活性的MoS2性能提升了10倍，出锌容量达到232 mAh/g。

与锂或钠相比，二价锌在充/放电过程中会发生两个电子的转移，因此对于相同数量的离子插入具有更大的存储容量，但二价性也使其与水分子发生强烈的相互作用，锌离子在水溶液中会形成尺寸较大的络合物。由于ZnII-H2O与S的相互作用较弱，且MoS2表现为疏水性，Zn2+在MoS2中嵌插过程并不顺利。而当用氧原子取代S后，MoS2层的亲水性会增强，ZnII-H2O-O相互作用也随之变强，进而降低嵌入能。研究显示，嵌入过程中所需的有效能量与Zn2+水化程度的关系，随着层间距的增大，嵌入过程中所需破坏的ZnII-H2O键的数目减少，从而获得较低的能量；而O修饰之后的MoS2能量会进一步降低，这表明层间距和亲水性调节可以极大地促进Zn离子在MoS2中的嵌入动力学过程，通常也可以促进所有金属硫族化合物的性能。

研究人员用硫脲和钼酸铵水热反应制得MoS2纳米片，通过降低反应温度使钼酸盐前驱体无法完全分解，使一部分的Mo-O键与硫脲反应，生成含氧的MoS2，即MoS2-O纳米片。研究结果显示，MoS2-O电极较MoS2电极具有更高的比容量与扩散动力学性能。MoS2-O电极的锌离子电池电化学反应机理可以解释为：Zn2+在层状宿主中的嵌入脱出、2H相到1T相MoS2的可逆转变和ZHS可逆的析出/溶解过程。

该工作所采用的方法广泛适用于金属离子在过渡金属氧族化合物以及其他层状化合物中的容量改善。研究成果发表在国际知名期刊Nano Letters上。

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