南昌大学雷水金等small:金属有机框架模板法构建玉米状FePS3-ZnPS3-C@NC负极中的异质界面与结构工程及其在持久储钠性能方面的研究

本研究主要是一项关于钠离子电池（SIBs）负极材料的研究，标题为《用于持久储钠的MOF模板化玉米状FePS₃-ZnPS₃-C@NC负极中的异质界面与结构工程》。

内容速览

1、研究概述

本研究针对二维层状过渡金属硫代磷酸盐（MPS₃）作为钠离子电池负极材料时存在的导电性差和体积变化大等问题，提出了一种创新的MOF-on-MOF模板策略，成功制备了一种玉米状多相MPS₃异质结构（FePS₃-ZnPS₃-C@NC）。该结构通过异质界面工程和氮掺杂碳包覆的协同作用，显著提升了材料的电化学性能。

2、核心创新点

（1）结构设计：

采用MIL-88B@ZIF-8作为前驱体，经硫化、聚多巴胺（PDA）包覆和同步碳化/磷硫化，形成玉米状分级结构。

外层氮掺杂碳（NC）包覆层有效缓冲体积变化，提升结构稳定性。

FePS₃/ZnPS₃异质界面产生内置电场，促进电荷传输和钠离子扩散。

（2）性能优势：

高比容量：初始放电容量达1294.5 mAh g⁻¹（0.1 A g⁻¹）。

优异循环稳定性：在2 A g⁻¹下循环1200次后容量保持率达87.6%。

高首次库伦效率：84.5%，优于对照组。

（3）机理研究：

结合非原位表征和DFT计算，揭示了材料的储钠机制包括嵌入、转化和合金化反应的协同作用。

异质界面处的电荷转移优化了Na⁺吸附能和界面反应动力学。

实验方法与表征

合成路径：MIL-88B → MIL-88B@ZIF-8 → FeS₂-ZnS-C@PDA → FePS₃-ZnPS₃-C@NC。

表征手段：XRD、SEM/TEM、XPS、Raman、TGA、BET等证实了材料的结构、形貌和化学状态。

电化学测试：CV、GCD、EIS、GITT等揭示了其优异的储钠性能和快速反应动力学。

全电池性能

以Na₃V₂(PO₄)₃为正极组装全电池，表现出良好的倍率性能和循环稳定性（100次循环后容量保持率88.2%）。

3、结论与意义

本研究提出了一种通用的MOF模板化策略，用于构建具有异质界面和碳包覆的分级结构负极材料，显著提升了MPS₃基材料在钠离子电池中的性能。该工作为高性能钠离子电池负极材料的设计提供了新的思路和方法。

研究图文

图1、(a) FePS₃-ZnPS₃-C@NC合成示意图。(b, c) SEM图像；(d, e) TEM图像；(f) HRTEM图像；(g) SAED衍射图谱；(h) HAADF图像及对应的EDS元素分布图（展示Fe、Zn、P、S、C、N的均匀分布）。

图2 、(a) FePS₃-C、ZnPS₃-C和FePS₃-ZnPS₃-C@NC样品的XRD图谱。(b) FePS₃-ZnPS₃-C@NC的拉曼光谱。(c) FePS₃-ZnPS₃-C和FePS₃-ZnPS₃-C@NC的热重分析曲线。(d) FePS₃-ZnPS₃-C@NC的氮气吸附-脱附等温线及孔径分布曲线。(e) XPS全谱及 (f) Fe 2p、(g) Zn 2p、(h) P 2p、(i) S 2p的高分辨核心能级谱。

图3、（注：原文中仅提及图3a、b、c与CV、GCD及循环性能相关，但未给出完整图注列表。根据上下文推断内容如下：）(a) 首次4圈CV曲线，展示多步氧化还原反应。(b) 在0.1 A g⁻¹下的首次充放电曲线。(c) 在0.1 A g⁻¹下的循环稳定性测试（显示高容量保持率）。

图4、(a) FePS₃-ZnPS₃-C@NC电极在0.2至2.0 mV s⁻¹扫描速率下的CV曲线。(b) 峰1-3的b值（反映电荷存储机制）。(c) 不同扫描速率下电容控制与扩散控制容量的贡献比例。(d) 在2.0 mV s⁻¹扫速下，电容控制贡献占总电荷存储的比例。(e) 奈奎斯特图；(f) GITT曲线；(g) 计算的Na⁺扩散系数，对比FePS₃-ZnPS₃-C@NC、FePS₃-ZnPS₃-C、FePS₃-C和ZnPS₃-C电极。

图5 、(a) FePS₃-ZnPS₃-C@NC电极在首次循环中不同电压下的非原位XRD图谱。(b-d) 放电至0.01 V时的非原位TEM、HRTEM和SAED图像。(e-g) 充电至3.0 V时的非原位TEM、HRTEM和SAED图像。

图6 、(a) FePS₃；(b) ZnPS₃；(c) FePS₃/ZnPS₃模型的总态密度图。(d) Na⁺离子在FePS₃、ZnPS₃和FePS₃/ZnPS₃模型上吸附时的电荷密度差分图（不同视角），展示界面处的电荷转移。

DOI： https://doi.org/10.1002/smll.202513825