山西师范大学化学与材料科学学院jianfeng jia--双函数二维的共价表面修饰金属碳化物mxenes作为的硫宿主用于钠硫电池

室温钠硫(RT Na-S)电池在大规模储能方面显示出非凡的潜力。MXenes已被证明是Na-S电池很有前景的硫宿主，其表面官能团对其性能起着至关重要的作用。然而，MXenes的不同表面官能团对其锚定效应和催化性能的影响尚未得到系统的研究。本文利用密度泛函理论(DFT)研究了一系列Ti₂CT_x (T= O、S、N、F、Cl和Br) MXenes作为Na-S电池硫宿主的电化学性能。我们发现表面官能团显著影响MXenes的结构性能和电化学性能。Ti₂CO₂, Ti₂CS₂和Ti2CN2对可溶性多硫化钠具有显著的亲和力。此外，它们对硫还原反应和Na₂S分解反应具有良好的催化活性。最后，在整个放电过程中，Ti₂CO₂、Ti₂CS₂和Ti₂CN₂始终保持金属导电，可以提高Na-S电池的速率能力。综上所述，Ti₂CO₂, Ti₂CS₂和Ti₂CN₂被认为是Na-S电池有前景的双功能硫宿主，我们的研究结果也可能对在其他应用中调节MXenes的性能具有启发意义。

图1  Ti2CTx的顶部和侧视图示意图(a)，分子的优化基态S8、Na2Sn(1≤n≤8)、DME、DOL (b)。

图2. 给出了S8 (a)、Na₂S₈ (b)、Na₂S₆ (c)、Na₂S₄ (d)、Na₂S₂ (e)和Na2S (f)吸附在Ti₂CO₂表面的最稳定构型和计算的结合能。

图3 不同含硫物质与Ti2CTx (T=O, S, F, Cl, Br和N)， DME之间的结合能。

图4. S8与Ti₂CO₂、Ti₂CS₂和Ti₂CS₂表面吸附的各种NaPSs的vdW相互作用比Ti₂CN₂。

图5。侧视图中，S8 (a)、Na2S8 (b)、Na2S6 (c)、Na2S4 (c)、Na2S2 (d)、Na2S (d)在Ti2CO2单层上吸附过程中的电荷密度差。

图6 真空和Ti₂CT_x中硫还原反应的吉布斯自由能图(T=O, S, N)。

图7 Na₂S在真空和Ti₂CT_x上的分解路径(a)和相应的能量分布(b) (T=O， S, N);Na离子在Ti2CTx表面的扩散路径(c)和能量分布(d) (T=O、S、N)。

图8 吸附S8 (a)、Na₂S₈ (b)、Na₂S₆ (c)、Na₂S₄ (d)、Na₂S₂ (e)和Na₂S (f)的总态密度(TDOS)

Ti₂CO₂。

相关科研成果由山西师范大学化学与材料科学学院Jianfeng Jia等人于2022年发表在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。