华南理工《AEM》：氮硫双掺杂的协同效应赋予TiO2卓越储钠性能！

提高TiO2内钠离子的扩散动力学及其固有的电子电导率对于提高钠离子电池TiO2阳极的反应速率和长循环稳定性是必不可少的。虽然对TiO2的单异体掺杂得到了广泛的研究，但对双异体掺杂对TiO2钠储存性能的影响仍缺乏全面了解。

 

在此，来自华南理工大学熊训辉教授等人在《Advanced energy materials》上发表题为“氮和硫双掺杂的协同效应赋予TiO2卓越的钠储存性能”的文章。本文提出氮和硫双掺杂用以实现高掺杂浓度的锐钛矿TiO2空心球体。实验数据和理论计算表明，N掺杂可以有效缩小TiO2的带状，而S掺杂有效促进TiO2内的Na+扩散。因此，N 和 S 掺杂的TiO2 显示出显著的电子电导率以及由于不同掺杂异原子的协同作用而加速的钠离子转移动力学。这可带来卓越的速率性能（33.5 和 5025 mA g^-1 时为 307.5 和 156.4 mAh g^-1），以及出色的循环稳定性（在 3350 mA g^-1 时，在 2400 个周期中保持 90.5%）。电化学性能的显著提高突出了缺陷工程在先进电池材料合理设计中的重要性。

 

论文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202003037

图1。a） NS-TiO2 制造的示意图。b） XRD 图。c） XPS图和d） TiO2 和 NS-TiO2 的拉曼光谱。e） SEM图， f） TEM图， g） HRTEM图和 h） NS-TIO2 的SAED 图。i） NS-TiO2 的HAADF-STEM图像和 Ti、O、N 和 S 的元素分布。

 

图2.a） Ti 2p XPS 光谱图， b） S2p XPS 光谱图， c） EPR 光谱图， 和 d） 所有作为获得的 TiO2 样品的UV_ vis 吸收光谱图。

图3.a）不同 TiO2 阳极的 335 mA g^-1 的平滑曲线和 b） 循环性能示意图。c）NS-TiO2 和 TiO2 的长期循环性能为 3350 mAg^-1。d） NS-TiO2、N-TiO2、S-TiO2 和 TiO2的充电能力从 33.5 到 5025 335 mA g^-1。e） 在各种电流密度下对 NS-TiO2 的电荷放电测试曲线。

 

图4.状态的密度：a） TiO2， b） N-TiO2， c） S-TiO2 和 d） NS-TiO2。Na 离子吸附模型：e） TiO2， f） N-TiO2， g） S-tiO2 和 h） NS-TiO2。 

 

图5. Na+扩散通路：a） TiO2， b） N- tiO2， c） S- tiO2和 d） NS- tiO2 。e） TiO2、N-TiO2、S-TiO2 和 NS-TiO2 中的Na+ 扩散能量屏障。f） GITT 剖面和 g） 在充电过程中计算的 Na+ 扩散示意图。

 

综上，关于氮和硫的双异原子掺杂策略可以用于实现对锐钛矿TiO2空心球体的高掺杂浓度。实验结果和第一性原理计算表明，N 掺杂可以有效缩小 TiO2 的带状，而 S 掺杂可以有效地加速 TiO2 内的 Na+ 扩散。N 和 S 双掺杂的 TiO2 产生于协同效应显示出高度增强的电子电导率，以及高加速的钠离子转移动力学。获得的任何碳涂层的 NS-TiO2 阳极在 3350 mA g^-1 的超快充电放电速率下具有出色的速率能力和超过2400 次的循环性能，这具有明显增强的钠储存性能同时大大优于单异体掺杂 TiO2。这些改进突出了缺陷工程的操纵对于为可充电电池设计高性能电极材料的重要性。（文：SSC）