NiCo2S4/Co9S8异质结构沉积在MXene纳米片上，显著增强了OH?的吸附能力，从而提升了高容量、长循环寿命的碱性锌电池的性能

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：NiCo2S4/Co9S8 heterostructures on MXene nanosheets boost OH? adsorption for high-capacity and long-cycling alkaline Zn batteries

NiCo2S4/Co9S8异质结构锚定MXene纳米片实现碱性锌电池高容量稳定放电，有效提升电导率和活性位点利用率。

　　

周恩祥|周丽军|金燕|蔡思宇|马克西姆·西乔夫|王毅|卢喜红

贵州贵阳大学化学与材料工程学院，中国贵州省贵阳市，550005

摘要

基于镍/钴的材料因其高理论容量和天然丰富性而成为水碱性锌电池（AAZBs）正极材料的重点研究对象。然而，由于活性位点不足和反应动力学缓慢，这些材料的实际应用受到限制。本文提出了一种有效方法，通过将NiCo₂S₄/Co₉S₈异质结构锚定在MXene纳米片（NCS/CS@MXene）上，并对其进行形态优化，实现了AAZBs的高效稳定正极。引入的MXene显著增加了复合材料的有效活性面积和电导率。因此，NCS/CS@MXene//Zn电池在2 mA cm^?2电流下表现出1.01 mAh cm^?2的高面积容量，2500次循环后容量仅下降0.00416%，且库仑效率接近100%。

引言

追求碳中和正在加速耐用的可持续可再生能源的采用，而这些能源的有效整合和利用在很大程度上依赖于先进的储能技术[[1], [2], [3], [4], [5]]。目前，锂离子电池（LIBs）因其高能量密度和可靠的循环性能而主导着储能市场[6,7]。然而，锂资源的稀缺以及易燃有机电解质带来的安全问题（包括火灾和爆炸风险）严重限制了LIBs的大规模应用[8,9]。作为锂基储能系统的潜在替代品，水基锌电池已成为研究焦点，它们得益于锌的天然丰富性、低成本、高安全性、低氧化还原电位（?0.76 V vs. SHE）和合理的能量密度[10,11]。特别是水碱性锌电池（AAZBs）因输出电压高（超过1.7 V）和具有竞争力的能量密度而受到越来越多的关注[[12], [13], [14]]。多种正极材料（如Ni(OH)₂ [15]、NiO [16]、Co₃O₄ [17]和NiMoO₄ [18]）已被广泛研究用于AAZBs，并取得了显著进展。然而，这些正极材料的实际容量仍远低于锌负极（820 mAh g^?1或5855 mAh cm^?3），这凸显了开发更高容量新正极材料的迫切需求[19,20]。

近年来，过渡金属硫化物（TMSs），尤其是基于钴/镍的硫化物（如Ni₃S₂ [21]、Co₉S₈ [22]、NiCo₂S₄ [23]等），因其丰富的氧化还原化学性质、高理论容量和多样的结构可调性而受到广泛关注。例如，Hu等人[24]报道了一种自支撑的Ni₃S₂纳米片正极，用于镍锌电池，其在5 A g^{?1?1₃S₂正极，用于AAZBs，实现了183.9 mAh g?1₉S₈纳米粒子，用于钠离子电池，实现了2 A g?1?1₂S₄，在0.5 A g?1?1?1}

在这项工作中，我们提出了一种简单而有效的策略，通过构建异质结构并将其锚定在MXene纳米片（称为NCS/CS@MXene）上来提高NiCo₂S₄/Co₉S₈的电化学性能。具体而言，MXene纳米片作为导电支架，不仅促进了电子传输，还减少了活性材料的聚集。同时，NiCo₂S₄/Co₉S₈异质结构在原子界面促进了有利的电荷重新分布，从而显著增强了OH^?的吸附能力和电活性位点的可用性。结果，NCS/CS@MXene//Zn电池在2 mA cm^{?2?2?2₂S₄/Co₉S₈（NCS/CS）和大多数报道的镍/钴基正极。本研究为设计高性能AAZBs正极材料提供了一种新策略。}

材料

本研究中使用的所有试剂均为分析级，无需进一步纯化即可直接使用。主要化学品如下：碳化钛铝（Ti₃AlC₂，98%，200目）和氢氟酸（HF，48-51%）分别从Macklin Biochemical（上海，中国）和Titan Scientific（上海，中国）购买；六水合氯化钴（II）（CoCl₂·6H₂O，97%）和六水合氯化镍（II）（NiCl₂·6H₂O，98%）也从相应公司采购。

结果与讨论

NCS/CS@MXene异质结构是通过外延生长策略合成的，其中巧克力棒状的NiCo₂S₄/Co₉S₈纳米棒均匀地锚定在层状MXene纳米片的表面和边缘（图1a）。作为对比，原始的NCS/CS材料采用相同的工艺制备，但不包含MXene。通过X射线衍射（XRD）检查了合成样品的晶体结构和化学组成。如图1b所示，典型的衍射峰...

结论

总之，我们成功设计了一种基于Ti₃C₂T_x MXene纳米片的巧克力棒状NiCo₂S₄/Co₉S₈异质结构，用于AAZBs。得益于高电导率和增加的有效电化学活性位点，NCS/CS@MXene在碱性电解质中实现了快速的电荷传输和增强的OH^?吸附。凭借这些优势，NCS/CS@MXene//Zn电池的最大面积容量提高了约两倍...

CRediT作者贡献声明

周恩祥：撰写——原始草稿、方法学、实验研究。周丽军：形式分析。金燕：数据管理。蔡思宇：撰写——原始草稿、数据可视化、项目管理和资金申请。马克西姆·西乔夫：软件开发。王毅：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。卢喜红：撰写——审稿与编辑、监督、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号22569002）、贵州省高层次创新人才计划（编号GCC [2023]055）、贵州省高校先进低维绿色储能材料重点实验室（编号[2022]056）以及贵州省科技项目（编号Qian Ke He Jichu-[2024] Youth 085）的财政支持。