【DFT+实验】电子科技大学陈俊松教授团队EMA：具有优异储钠性能的NiS2/FeS纳米花状异质结材料

电子科技大学陈俊松教授团队EMA：

具有优异储钠性能的NiS2/FeS纳米花状异质结材料

过渡金属硫化物具有优异的储钠潜力，但低导电性和体积膨胀限制了其进一步应用。本工作通过在PB上生长层状氢氧化物纳米片，然后气相硫化，得到纳米花状的NiS₂/FeS异质结材料。其具有优异的倍率性能（50 A g^-1时，比容量为156 mAh g^-1）和稳定的长循环性能（5 A g^-1时，循环1000圈后，比容量仍能保持在606 mAh g^-1），远远高于无异质结构的NiS₂和FeS。密度泛函理论计算进一步证明了NiS₂/FeS异质界面为材料提供了突出的动力学性能以及结构稳定性。

在众多电极材料中，过渡金属硫化物具有良好的储钠潜力。另外，通过构建异质结构在界面处诱导内建电场的产生，能够为电荷的传输提供额外的驱动力。基于此，作者团队构建了一种独特的NiS₂/FeS异质结构材料。

作者团队通过多步合成法构建了独特的NiS₂/FeS异质结构复合材料。如图1所示，首先合成铁基普鲁士蓝(Fe-PB)纳米晶体，然后在Fe-PB前驱体上通过水热法生长Ni的层状氢氧化物(Ni-LDH)纳米片，得到Fe-PB@Ni-LDH核壳结构，然后进行气相硫化，最终得到花状形貌的NiS₂/FeS纳米颗粒。

图1. NiS₂/FeS的合成示意图

如图2所示，S化后得到的NiS₂/FeS仍能保持纳米花状形貌，具有良好的结构稳定性。从TEM可以看出，NiS₂和FeS的异质结存在，且均匀地分布在复合物中。

图2. (A, B) Fe-PB@Ni-LDH前驱体的SEM图像;(C, D, E, F) 分别是NiS₂/FeS的SEM，TEM，HRTEM和元素分布

XRD的测试结果与TEM结果一致，进一步证明了NiS₂/FeS中两种物相的并存。从Fe 2p和Ni 2p的XPS拟合结果可以看出，在异质结中，FeS的电荷向NiS₂转移。

图3. (A) NiS₂/FeS S 2p的XRD谱图;(B) NiS₂/FeS的高分辨率XPS;(C) NiS₂/FeS和FeS的Fe 2p 的XPS; (D) NiS₂/FeS和NiS2的Ni 2p的XPS

图4. 电化学性能测试: (A) 0.1 mV s-1下NiS₂/FeS的CV曲线; (B) 0.2 A g-1时NiS₂/FeS的充放电曲线; (C)NiS₂/FeS、NiS₂和FeS在2A g ^-1时的循环性能，(D)倍率性能，(E) 5A g^-1时的长循环性能。

为研究NiS₂/FeS的动力学性能，对材料进行了电化学阻抗测试。并计算了钠离子扩散系数，表明NiS₂/FeS具有最高的钠离子扩散系数（1.3×10^-9 cm² s⁻¹）。进一步分析NiS₂/FeS的CV曲线，表明NiS₂/FeS在储钠动力学过程中，电容控制占主导。

图5.  (A)电化学阻抗谱(EIS); (B) ω^−1/2与Z’在低频区的线性拟合

图6. NiS₂/FeS的动力学分析。(A) 0.1 mV s^-1到2 mV s^-1的CV曲线，(B)根据CV拟合得到的log i 与log v关系图，(C)不同扫速下电容贡献和扩散贡献比例，(D)在2 mV s^-1时电容贡献的细节图

DFT进一步验证了NiS₂/FeS的储钠机理，在异质结界面处，具有更低的钠离子扩散势垒和更高的电荷态密度，因此展现出更高的导电性。此外，NiS₂/FeS具有更高的钠离子吸附能，在反复的离子脱嵌过程中，结构保持稳定，展现出更加稳定的长循环性能。

图7. (A) Na离子迁移路径，(B)能垒，(C)吸附能，(D)态密度。

NiS₂/FeS表现出优异的储钠性能，在50 A g^-1下的超高倍率下，可逆容量达156 mAh g^-1，在5 A g^-1的电流密度下，循环1000圈以后，比容量仍能保持为606 mAh g^-1，远高于其他过渡金属硫化物。密度泛函理论计算进一步论证了异质结界面提高储能特性的机理。

该工作为设计具有异质结构的复合功能材料提供了一种有效的方法。

陈俊松，电子科技大学教授，主要从事新型纳米功能材料的设计以及其在能源与催化领域的应用。研究兴趣包括界面异构材料在钠离子电池、锂硫电池、电解水等能源系统中的应用与机理研究。目前在材料化学类杂志上发表学术论文90余篇，SCI引用达到10000多次，其中多篇入选ESI高被引文章，H指数 47。主持国家科技部重点研发计划子课题等项目。多次入选科睿唯安全球高被引科学家、爱思唯尔中国高被引学者榜。

严东，电子科技大学材料与能源学院2020级硕士研究生。研究方向为钠离子电极材料的制备与改性。以第一作者在Energy Material Advances，ChemSusChem，ChemElectroChem 等国际期刊发表相关论文3篇。