异质界面与结构工程协同调控的MOF模板法合成玉米状FePS3-ZnPS3-C@NC负极及其长效储钠性能研究
层状过渡金属硫代亚磷酸盐（MPS3）作为一类典型的二维材料，因其独特的物化性质（如高比表面积、丰富的活性位点及可调的电子结构）而在电化学储能与转换领域备受关注。基于P─S键断裂的多步转化反应机制，该类材料在钠离子电池中展现出高理论比容量。然而，MPS3在钠化过程中易发生因体积膨胀引起的结构坍塌，层间堆叠也限制了活性位点的有效利用，同时其Na+嵌入/脱嵌动力学缓慢，本征导电性较差。为应对这些挑战，当前研究主要聚焦于缺陷工程（如阴/阳离子掺杂与空位构筑）和纳米结构设计。尽管如此，MPS3电极在循环过程中仍面临结构退化的问题，活性物质逐渐粉化并持续形成新的固体电解质界面（SEI）层，导致性能衰减。为解决上述难题，将MPS3封装于碳基体中的策略应运而生，该设计通过碳层的物理约束与导电增强作用，有效提升了MPS3基负极的储钠性能与循环稳定性。
近日，来自南昌大学的雷水金教授，在国际权威期刊Small上发表题为“Heterointerfacial and Architectural Engineering in MOF-Templated Corn-Like FePS3-ZnPS3-C@NC Anode for Durable Sodium Storage”的研究文章。该工作提出了一种创新的多层次设计策略，成功构建了独特的玉米状MIL88B@ZIF8（MOFonMOF）核壳前驱体。通过对该前驱体进行硫化处理、精确调控的原位聚多巴胺包覆以及同步碳化/磷硫化，制备出FePS3ZnPS3C@NC复合材料。该复合材料展现出显著的多级协同效应：1）聚多巴胺衍生的氮掺杂碳层与MOF衍生的碳基体协同作用，有效缓冲了电化学循环中的体积应变，同时提升了整体导电性；2）FePS3/ZnPS3异质界面处形成的强内置电场显著增强了MPS3材料的电荷传输能力，大幅促进了Na+反应动力学。该研究不仅为合理构建MOF衍生异质结构提供了普适性方法，同时突破了MPS3负极的关键性能瓶颈，为新型钠离子电池电极材料的设计提供了重要参考。
要点一：玉米状FePS3-ZnPS3-C@NC复合材料的制备
如图1a所示，该研究报道了一种基于精确MOF‑on‑MOF模板策略构建的玉米状多组分MPS3异质结构。该结构由FePS3/ZnPS3异质结及均匀包覆的氮掺杂碳（NC）层构成，借助界面内置电场与空间限域的协同作用，实现了离子/电子的快速传输，并赋予电极优异的机械稳定性与结构完整性。
图1. (a) FePS3‑ZnPS3‑C@NC合成过程示意图；(b, c) SEM图像，(d, e) TEM图像，(f) HRTEM图像，(g) SAED图谱，(h) HAADF图像及所制备FePS3‑ZnPS3‑C@NC样品的相应EDS元素分布图。
要点二：玉米状FePS3-ZnPS3-C@NC复合材料的结构表征
为验证 FePS3‑ZnPS3‑C@NC 复合材料的结构组成，图2a 的 XRD 谱图明确证实材料为包含两种 MPS3晶相的双相复合体系。20°–30° 范围内未出现明显的非晶碳宽峰，说明 FePS3与 ZnPS3均具有较高的结晶度。FePS3‑ZnPS3‑C@NC 的拉曼光谱（图2b）同时呈现MPS3的特征振动模式。XPS 分析表明，与 FePS3‑C 和 ZnPS3‑C 相比，FePS3‑ZnPS3‑C@NC 中 Zn 2p 峰向高结合能方向移动，而 Fe 2p 峰向低结合能方向移动。该结果明确表明电子从 ZnPS3侧自发转移至 FePS3侧，证实 ZnPS3与 FePS3之间形成了异质界面，有助于构建丰富的电化学活性位点并促进电荷快速传输。
图2. (a) FePS3‑C、ZnPS3‑C 及 FePS3‑ZnPS3‑C@NC 样品的 XRD 图谱；(b) FePS3‑ZnPS3‑C@NC 的拉曼光谱；(c) FePS3‑ZnPS3‑C 与 FePS3‑ZnPS3‑C@NC 的热重曲线；(d) FePS3‑ZnPS3‑C@NC 的氮气吸脱附等温线及孔径分布曲线；FePS3‑ZnPS3‑C@NC 的 XPS (e) 全谱及 (f) Fe 2p、(g) Zn 2p、(h) P 2p 与 (i) S 2p 精细谱。
要点三：玉米状FePS3-ZnPS3-C@NC复合材料的储钠性能
为了探索制备的FePS3‑ZnPS3‑C@NC电极的钠储存机制，在0.1 mV s−1的扫描速率下进行循环伏安（CV）测试，结果如图3a所示。在0.1 A g−1电流密度下的循环稳定性测试（图3c）表明，FePS3‑ZnPS3‑C@NC在300次循环后仍保持836.6 mAh g−1的比容量，显著优于FePS3‑ZnPS3‑C（765.4 mAh g−1）、FePS3‑C（609.2 mAh g−1）和ZnPS3‑C（453.4 mAh g−1）。这一性能提升主要归因于FePS3‑ZnPS3‑C@NC独特的碳包覆玉米状结构。具体而言，FePS3/ZnPS3异质结产生的内置电场及协同效应，不仅构建了跨越异质界面的高效电子传输通道，还促进了离子的快速扩散；同时，氮掺杂碳壳层显著提升了电极的整体导电性。这些因素共同促成了FePS3‑ZnPS3‑C@NC优异的容量表现。
图3. (a) FePS3‑ZnPS3‑C@NC 电极在 0.1 mV s−1 下的 CV 曲线；(b) FePS3‑ZnPS3‑C@NC 电极在 0.1 A g−1下的充放电曲线；(c) FePS3‑ZnPS3‑C@NC、FePS3‑ZnPS3‑C、FePS3‑C 和 ZnPS3‑C 电极在 0.1 A g−1下的循环性能；(d) FePS3‑ZnPS3‑C@NC、FePS3‑ZnPS3‑C、FePS3‑C 和 ZnPS3‑C 电极在 0.1–4 A g−1 范围内的倍率性能；(e) FePS3‑ZnPS3‑C@NC 电极在不同电流密度下的充放电曲线；(f) FePS3‑ZnPS3‑C@NC 与已报道先进负极电化学性能的对比；(g) FePS3‑ZnPS3‑C@NC、FePS3‑ZnPS3‑C、FePS3‑C 和 ZnPS3‑C 电极在 2 A g−1下的长循环性能。
为深入阐明 FePS3ZnPS3C@NC 优异储钠性能的来源，本研究进行了系统的密度泛函理论（DFT）计算。费米能级附近的态密度（TDOS）分析表明，该复合材料的电子导电性显著增强。计算结果显示，FePS3ZnPS3合体系有效利用了 FePS3与 ZnPS3两相间的协同效应：异质界面不仅改善了电子传导，还促进了热力学上更有利的Na+ 吸附。
图4. (a) FePS3、(b) ZnPS3及 (c) FePS3/ZnPS3模型的态密度（TDOS）图；(d) Na+在 FePS3、ZnPS3和 FePS3/ZnPS3模型表面吸附的电荷密度差分图（不同视角）。
“Heterointerfacial and Architectural Engineering in MOF-Templated Corn-Like FePS3-ZnPS3-C@NC Anode for Durable Sodium Storage”
https://doi.org/10.1002/smll.202513825
雷水金教授简介：南昌大学教授，博士生导师，入选江西省“井冈学者”特聘教授、江西省青年科学家、南昌大学“赣江特聘教授”。2006年毕业于中国科学技术大学化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家实验室。2013-2014年，作为中组部“西部之光”访问学者于中国科学技术大学从事研究工作。2015-2016年，于香港理工大学从事博士后研究工作。2006年入职南昌大学，主要研究兴趣聚焦于功能纳米材料与器件的制备及其性能研究。主持了国家自然科学基金、国家863项目子课题、教育部博士点基金、江西省青年科学家项目、江西省科技支撑计划重点项目、江西省自然科学基金重点项目、江西省自然科学基金项目等课题10余项。相关研究成果已在Nat. Commun.、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B: Environ.、ACS Mater. Lett.、Chem. Mater.、J. Energy Chem.、Chem. Eng. J.、J. Mater. Sci. Technol.、J. Mater. Chem. A、Carbon等国外知名SCI刊物上发表学术论文160余篇，授权国家发明专利5项。
王西麟，男，南昌大学物理与材料学院2023级硕士研究生，主要研究方向为钠离子电池负极材料。
乐明，男，南昌大学物理与材料学院2023级博士研究生，主要从事于锂/钠离子电池电极材料的制备，以第一作者/共同第一作者在Adv. Funct. Mater.、Small、J. Energy Chem. 、Chem. Eng. J.、Chin. Chem. Lett.等期刊发表SCI论文9篇。
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