南昌大学雷水金教授&山东大学熊胜林教授AFM:碱金属离子插层驱动CdPS3二维到一维转变实现高性能储钠

【研究背景】

钠离子电池（SIBs）相比锂离子电池（LIBs），具有成本低、钠资源丰富以及安全性高等优点，因此在能源存储领域展现出更大的潜力。然而，由于Na⁺离子半径较大，导致钠存储动力学缓慢，循环和倍率性能较差。金属硫代亚磷酸盐（MPS₃）因其独特的二维层状结构、丰富的组成和较高的理论比容量，被认为是一类有前景的新型二次电池负极材料。然而，传统的自上而下剥离方法（如机械剥离、液相超声剥离等）主要涉及层间范德华键的断裂，虽然可以有效减小材料的厚度，但对其横向尺寸影响甚微，导致活性边缘位点暴露有限、离子传输动力学受阻，限制了其电化学储能潜力的充分释放。

插层化学是层状材料本征工程化的常见策略，通过扩展层间通道提升比表面积并促进离子快速传输。MPS₃的层状结构由P₂S₆单元通过范德华力堆叠而成，允许客体物种插入范德华间隙形成插层化合物。此外，微弱的M-S键有利于M²⁺离子从宿主晶格中浸出，产生可被外来客体阳离子占据的空位。虽然已有研究成功将各种有机阳离子插入MPS₃层间，但其层状结构被保留，比表面积几乎没有增加。值得注意的是，碱金属离子插层的作用远不止于插入范德华间隙，它已被证明能够触发形貌重构，但相关研究在电化学储能领域仍鲜有报道。

【简单介绍】

近日，南昌大学雷水金教授和山东大学熊胜林教授团队合作提出了一种新颖的形貌调控策略，即利用碱金属离子插层驱动CdPS₃的二维到一维（2D-to-1D）转变，显著提升了其钠存储性能。该策略通过两步碱金属离子插层/交换过程实现：K⁺插层首先将CdPS₃纳米片剪切成K_2xCd_1−xPS₃纳米棒，随后Na⁺交换得到最终的Na_0.8Cd_0.6PS₃产物。这种2D-to-1D的形貌转变赋予材料三大协同优势：层间距从0.65 nm大幅扩大至1.18 nm，有利于Na⁺快速扩散；高长径比的一维形貌提供了丰富的活性边缘位点和高效的电子传输路径；引入的Cd空位使电子电导率提升了约一个数量级。基于此，制备的Na_0.8Cd_0.6PS₃负极表现出优异的比容量、倍率性能和循环稳定性。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Functional Materials上。南昌大学硕士研究生贺鸿潇和博士研究生钟隆盛为本文共同第一作者。

【核心内容】

MPS₃层状材料具有宽的层间距和丰富的活性位点，在不同输出电压下P和S元素均可与Na形成不同化合物，从而提供较高的理论比容量，是一类极具潜力的高性能钠电负极材料。然而，常规剥离方法难以减小其横向尺寸，导致活性位点暴露不足、离子传输受阻。相比之下，一维结构具有更大的电极/电解液接触面积，可提高活性材料利用率并增强倍率性能，同时还能更好地适应充放电过程中的体积变化。

本研究以CVD法制备的CdPS₃纳米片为前驱体，通过两步碱金属离子插层/交换策略成功实现了2D-to-1D的形貌转变。第一步，CdPS₃在K₂CO₃/KCl碱性介质中与螯合剂EDTA反应，Cd²⁺被K⁺部分取代形成K_0.8Cd_0.6PS₃中间体，纳米片转变为独特的棒状形貌；第二步，K_0.8Cd_0.6PS₃在NaCl介质中进行Na⁺交换，最终得到Na_0.8Cd_0.6PS₃产物，且纳米棒形貌得以保持。HRTEM和SAED表征证实了Na_0.8Cd_0.6PS₃纳米棒具有单斜晶系结构，(130)晶面间距为0.307 nm。ICP-OES确定了Na、Cd、P、S的原子比约为0.8:0.6:1:3，化学式确认为Na_0.8Cd_0.6PS₃。XRD表征显示，CdPS₃的(001)衍射峰位于13.5°，对应层间距0.65 nm；K⁺插层后该峰移至9.5°，层间距扩大至0.92 nm；Na⁺交换后进一步移至7.5°，层间距达到1.18 nm。四探针电阻测量表明Na_0.8Cd_0.6PS₃纳米棒的电子电导率较原始CdPS₃纳米片大幅提升，为加速电荷传输提供了直接证据。

电化学测试结果表明，Na_0.8Cd_0.6PS₃负极展现出卓越的钠存储性能。倍率性能测试显示，在0.1、0.2、0.5、1、2和5 A g⁻¹的电流密度下，Na_0.8Cd_0.6PS₃电极分别实现977、944、904、860、820和765 mAh g⁻¹的高放电比容量，远超CdPS₃电极；当电流密度恢复至0.1 A g⁻¹时，可逆容量高达948 mAh g⁻¹，体现了出色的电化学可逆性。循环性能方面，在2 A g⁻¹下循环500圈后，Na_0.8Cd_0.6PS₃电极仍保持941 mAh g⁻¹的比容量，容量保持率高达96.2%，且SEM显示其1D形貌完好保留；相比之下，CdPS₃电极在375圈后仅保留51.1%的初始容量。EIS测试表明Na_0.8Cd_0.6PS₃的电荷转移阻抗（11.3 Ω）显著低于CdPS₃（20.1 Ω），这归因于其1D形貌提供了更大的电极/电解液活性界面。GITT测试计算得到的Na⁺扩散系数也证实Na_0.8Cd_0.6PS₃具有更快的离子传输动力学。

原位XRD和非原位HRTEM表征技术被用于深入研究储钠机理。研究结果显示，在首次充放电过程中，微弱的P–S键发生了不可逆断裂，生成了CdS和P产物。这些产物在随后的充放电过程中通过与Na⁺的转化反应共同贡献了高的可逆比容量。原子结构模型清晰展示了CdPS3电极在首次充放电循环中的钠存储机制。DFT理论计算进一步揭示了Cd空位和插层Na⁺离子对电化学性能的提升机制。计算结果表明，相比于原始CdPS_3，Na_0.8Cd_0.6PS₃在费米能级附近展示了更高的态密度，意味着更高的本征电子电导率。Na⁺吸附能方面，Na_0.8Cd_0.6PS₃（−2.60 eV）远大于CdPS₃（−0.82 eV），表明更强的Na⁺吸附能力。此外，Na_0.8Cd_0.6PS₃的Na⁺扩散能垒更低，有利于快速的离子传输。这些协同效应共同促进了Na_0.8Cd_0.6PS₃电极优异的倍率性能。

【图文导读】

图1 Na_2xCd_1–xPS₃纳米棒的制备流程图及结构表征

图2 CdPS₃与Na_0.8Cd_0.6PS₃的XRD, Raman, FTIR, XPS, 氮气吸附脱附以及电导率测试。

图3 Na_0.8Cd_0.6PS₃纳米棒负极的钠存储性能

图4 Na_0.8Cd_0.6PS₃纳米棒负极的储钠机理

【核心结论】

该研究开发了一种新颖的碱金属离子插层策略，成功实现了CdPS₃从二维纳米片到一维纳米棒的形貌转变，并将其应用于高性能钠离子电池负极材料。通过K⁺插层剪切和Na⁺交换的两步过程，制备的Na_0.8Cd_0.6PS₃纳米棒具有显著扩大的层间距、高长径比的一维形貌和丰富的Cd空位，协同提升了离子扩散动力学、电子电导率和结构稳定性。电化学测试表明，Na_0.8Cd_0.6PS₃负极展现出显著优于原始CdPS₃的钠存储性能。原位XRD和非原位HRTEM表征揭示了储钠机理涉及P-S键的不可逆断裂生成CdS和P产物，共同贡献高比容量。DFT计算进一步证实Cd空位和插层Na⁺离子有效提升了电子电导率、降低了Na⁺扩散能垒并增强了Na⁺吸附能力。

【文献详情】

Hongxiao He, Longsheng Zhong, Yazhan Liang, Chenhan Xiong, Yanhe Xiao, Baochang Cheng, Shuijin Lei,* and Shenglin Xiong*，Alkali-Ion Intercalation Driven 2D-to-1D Transformation of CdPS₃ for Superior Sodium Storage. 

Advanced Functional Materials, 2026.

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.75414

【作者简介】

雷水金 教授：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.、Small、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。

熊胜林 教授：山东大学特聘教授，国家"万人计划"科技领军人才，自2022年以来连续入选全球高被引科学家。研究方向：无机介观能源材料化学。近年来，一直围绕在介观尺度下如何实现无机能源材料精准可控合成与组装的关键科学问题开展基础应用研究。围绕着国家能源战略发展需求，将目标材料应用在水系金属电池、锂硫二次电池、碱金属二次电池等领域。近五年以通讯作者在Acc. Chem. Res., Nat. Commun., Angew. Chem., Adv. Mater., CCS Chem.等发表论文60余篇。论文总他引30000余次，H指数97。