室溫鈉硫(RT Na-S)電池在大規(guī)模儲能方面顯示出非凡的潛力。MXenes已被證明是Na-S電池很有前景的硫宿主，其表面官能團(tuán)對其性能起著至關(guān)重要的作用。然而，MXenes的不同表面官能團(tuán)對其錨定效應(yīng)和催化性能的影響尚未得到系統(tǒng)的研究。本文利用密度泛函理論(DFT)研究了一系列Ti
2CT
x (T= O、S、N、F、Cl和Br) MXenes作為Na-S電池硫宿主的電化學(xué)性能。我們發(fā)現(xiàn)表面官能團(tuán)顯著影響MXenes的結(jié)構(gòu)性能和電化學(xué)性能。Ti
2CO
2, Ti
2CS
2和Ti2CN2對可溶性多硫化鈉具有顯著的親和力。此外，它們對硫還原反應(yīng)和Na
2S分解反應(yīng)具有良好的催化活性。最后，在整個(gè)放電過程中，Ti
2CO
2、Ti
2CS
2和Ti
2CN
2始終保持金屬導(dǎo)電，可以提高Na-S電池的速率能力。綜上所述，Ti
2CO
2, Ti
2CS
2和Ti
2CN
2被認(rèn)為是Na-S電池有前景的雙功能硫宿主，我們的研究結(jié)果也可能對在其他應(yīng)用中調(diào)節(jié)MXenes的性能具有啟發(fā)意義。
圖1 Ti2CTx的頂部和側(cè)視圖示意圖(a)，分子的優(yōu)化基態(tài)S8、Na2Sn(1≤n≤8)、DME、DOL (b)。
圖2. 給出了S8 (a)、Na
2S
8 (b)、Na
2S
6 (c)、Na
2S
4 (d)、Na
2S
2 (e)和Na2S (f)吸附在Ti
2CO
2表面的最穩(wěn)定構(gòu)型和計(jì)算的結(jié)合能。
圖3 不同含硫物質(zhì)與Ti2CTx (T=O, S, F, Cl, Br和N)， DME之間的結(jié)合能。
圖4. S8與Ti
2CO
2、Ti
2CS
2和Ti
2CS
2表面吸附的各種NaPSs的vdW相互作用比Ti
2CN
2。
圖5。側(cè)視圖中，S8 (a)、Na2S8 (b)、Na2S6 (c)、Na2S4 (c)、Na2S2 (d)、Na2S (d)在Ti2CO2單層上吸附過程中的電荷密度差。
圖6 真空和Ti
2CT
x中硫還原反應(yīng)的吉布斯自由能圖(T=O, S, N)。
圖7 Na
2S在真空和Ti
2CT
x上的分解路徑(a)和相應(yīng)的能量分布(b) (T=O， S, N);Na離子在Ti2CTx表面的擴(kuò)散路徑(c)和能量分布(d) (T=O、S、N)。
圖8 吸附S8 (a)、Na
2S
8 (b)、Na
2S
6 (c)、Na
2S
4 (d)、Na
2S
2 (e)和Na
2S (f)的總態(tài)密度(TDOS)
Ti
2CO
2。
相關(guān)科研成果由山西師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院Jianfeng Jia等人于2022年發(fā)表在Nanoscale (DOI: 10.1039/D2NR03462J.)上。原文：Covalent Surface Modifications of Bifunctional Two-dimensional Metal Carbide MXenes as Sulfur Hosts for Sodium−Sulfur Batteries。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
